KR102130207B1 - Organic solar cell - Google Patents
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Abstract
본 명세서는 제1 전극; 제2 전극; 및 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 포함하며, 상기 광활성층은 전자 주개 및 전자 받개를 포함하고, 상기 전자 주개는 화학식 1로 표시되는 제1 단위; 화학식 2로 표시되는 제2 단위; 및 화학식 3으로 표시되는 제3 단위를 포함하는 중합체를 포함하며, 상기 전자 받개는 비플러렌계 화합물을 포함하는 것인 유기 태양 전지에 관한 것이다. This specification is the first electrode; A second electrode; And one or more organic material layers including a photoactive layer, wherein the photoactive layer includes an electron donor and an electron acceptor, and the electron donor is a first unit represented by Chemical Formula 1; A second unit represented by Formula 2; And a polymer comprising a third unit represented by Chemical Formula 3, wherein the electron acceptor relates to an organic solar cell comprising a non-fullerene compound.
Description
본 출원은 2017년 6월 23일 한국 특허청에 제출된 한국 특허 출원 10-2017-0079706의 출원일 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.This application claims the filing date benefit of Korean Patent Application 10-2017-0079706 filed with the Korean Patent Office on June 23, 2017, the entire contents of which are incorporated herein.
본 명세서는 유기 태양 전지에 관한 것이다.This specification relates to an organic solar cell.
유기 태양 전지는 광기전력효과(photovoltaic effect)를 응용함으로써 태양 에너지를 직접 전기 에너지로 변환할 수 있는 소자이다. 태양 전지는 박막을 구성하는 물질에 따라 무기 태양 전지와 유기 태양 전지로 나뉠 수 있는데, 종래 무기 태양 전지는 이미 경제성과 재료상의 수급에서 한계를 보이고 있기 때문에, 가공이 쉬우며 저렴하고 다양한 기능성을 가지는 유기 태양 전지가 장기적인 대체 에너지원으로 각광받고 있다.An organic solar cell is a device that can directly convert solar energy into electrical energy by applying a photovoltaic effect. Solar cells can be divided into inorganic solar cells and organic solar cells according to the materials constituting the thin film. Since conventional inorganic solar cells already show limitations in economical and material supply and demand, they are easy to process and inexpensive and have various functions. Organic solar cells are in the spotlight as a long-term alternative energy source.
태양 전지는 태양 에너지로부터 가능한 많은 전기 에너지를 출력할 수 있도록 효율을 높이는 것이 중요한데, 기존의 전자 받개(acceptor) 물질인 플러렌(fullerene)계 화합물은 가시광 영역에서 낮은 흡수율을 가지며 열적 안정성이 낮다는 등의 문제점이 있다. It is important to increase the efficiency of the solar cell so that it can output as much electrical energy as possible from the solar energy. The fullerene compound, which is an existing electron acceptor material, has a low absorption rate in the visible light region and has low thermal stability. There is a problem.
이에 따라, 최근 비플러렌(non-fullerene)계 화합물을 전자 받개 물질로 사용한 유기 태양 전지의 예가 많이 발표되고 있으며, 이의 전력 변환 효율은 4% 내지 5.9% 정도까지 달성되었다. 다만, 비플러렌계 화합물은 현재 특정 고분자와의 조합에서만 좋은 효율을 보이고 있으므로, 비플러렌계 화합물과 좋은 효율을 나타낼 수 있는 신규 고분자를 찾는 것이 중요한 과제가 되었다.Accordingly, many examples of organic solar cells using a non-fullerene compound as an electron acceptor material have been recently published, and their power conversion efficiency has been achieved to about 4% to 5.9%. However, since the non-fullerene-based compound currently shows good efficiency only in combination with a specific polymer, it has become an important task to find a new polymer capable of exhibiting a good efficiency with the non-fullerene-based compound.
본 명세서는 유기 태양 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present specification aims to provide an organic solar cell.
본 명세서의 일 실시상태는 제1 전극; 상기 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 구비되고, 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 포함하며, 상기 광활성층은 전자 주개 및 전자 받개를 포함하고, 상기 전자 주개는 하기 화학식 1로 표시되는 제1 단위; 하기 화학식 2로 표시되는 제2 단위; 및 하기 화학식 3으로 표시되는 제3 단위를 포함하는 중합체를 포함하며, 상기 전자 받개는 비플러렌(non-fullerene)계 화합물을 포함하는 것인 유기 태양 전지를 제공한다.An exemplary embodiment of the present specification is a first electrode; A second electrode provided to face the first electrode; And one or more organic material layers provided between the first electrode and the second electrode and including a photoactive layer, wherein the photoactive layer includes an electron donor and an electron acceptor, and the electron donor is represented by Formula 1 below. A first unit; A second unit represented by
[화학식 1][Formula 1]
[화학식 2][Formula 2]
[화학식 3][Formula 3]
상기 화학식 1 내지 3에서,In
X1 내지 X4는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 CRR', NR, O, SiRR', PR, S, GeRR', Se 및 Te로 이루어진 군에서 선택되고, X1 to X4 are the same as or different from each other, and each independently selected from the group consisting of CRR', NR, O, SiRR', PR, S, GeRR', Se and Te,
Y1 및 Y2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 CR", N, SiR", P 및 GeR"로 이루어진 군에서 선택되며,Y1 and Y2 are the same or different from each other, each independently selected from the group consisting of CR", N, SiR", P and GeR",
R, R', R", Q1 내지 Q4, R1 내지 R4, R10 및 R11은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 이미드기; 아미드기; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴옥시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이며, R, R', R", Q1 to Q4, R1 to R4, R10 and R11 are the same as or different from each other, and each independently hydrogen; deuterium; halogen group; nitrile group; nitro group; imide group; amide group; hydroxyl group; Substituted or unsubstituted alkyl group; substituted or unsubstituted cycloalkyl group; substituted or unsubstituted alkoxy group; substituted or unsubstituted aryloxy group; substituted or unsubstituted alkenyl group; substituted or unsubstituted aryl group; or substituted Or an unsubstituted heterocyclic group,
R20 및 R21은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 알콕시기; 또는 치환 또는 비치환된 아릴옥시기이고,R20 and R21 are the same as or different from each other, and each independently a substituted or unsubstituted alkoxy group; Or a substituted or unsubstituted aryloxy group,
a 및 b는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 1 내지 3의 정수이고, a and b are the same as or different from each other, and each is an integer from 1 to 3,
d 및 e는 각각 0 내지 3의 정수이며, d and e are each an integer from 0 to 3,
a, b, d 또는 e가 각각 2 이상인 경우, 2 이상의 괄호 내의 구조는 서로 동일하거나 상이하고, When a, b, d, or e are each 2 or more, structures in 2 or more parentheses are the same or different from each other,
A1 내지 A4는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로, 수소, 불소 또는 염소이고, A1 내지 A4 중 적어도 하나는 불소 또는 염소이다.A1 to A4 are the same or different from each other, and each independently is hydrogen, fluorine or chlorine, and at least one of A1 to A4 is fluorine or chlorine.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기 태양 전지는 전자 주개로 상기 중합체를 사용하고, 전자 받개로 상기 비플러렌계 화합물을 사용함으로써, 열적 안정성 및 전력 변환 효율이 우수하다.The organic solar cell according to an exemplary embodiment of the present specification is excellent in thermal stability and power conversion efficiency by using the polymer as an electron donor and using the non-fullerene compound as an electron acceptor.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 상기 중합체는 HOMO 에너지 준위가 높아 이를 광활성층의 전자 주개로 포함하는 상기 유기 태양 전지는 개방 전압 특성이 우수하다.In addition, the polymer according to one embodiment of the present specification has a high HOMO energy level, and the organic solar cell including it as an electron donor of a photoactive layer has excellent open voltage characteristics.
도 1은 본 명세서의 일 실시상태에 따르는 유기 태양 전지를 나타낸 도이다.
도 2은 실시예 1-1 내지 1-3의 유기 태양 전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.
도 3는 비교예 1 및 2의 유기 태양 전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.
도 4는 제조예에서 합성된 화학식 J의 NMR 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 5는 제조예에서 합성된 화학식 J-1의 NMR 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 6은 제조예에서 합성된 화학식 K의 NMR 스펙트럼을 나타낸 도이다.1 is a view showing an organic solar cell according to an exemplary embodiment of the present specification.
2 is a view showing the current density according to the voltage of the organic solar cell of Examples 1-1 to 1-3.
3 is a view showing the current density according to the voltage of the organic solar cells of Comparative Examples 1 and 2.
4 is a diagram showing an NMR spectrum of Formula J synthesized in Preparation Example.
5 is a diagram showing an NMR spectrum of Formula J-1 synthesized in Preparation Example.
6 is a diagram showing an NMR spectrum of Formula K synthesized in Preparation Example.
이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present specification will be described in more detail.
본 명세서에 있어서 '단위'란 중합체의 단량체에 포함되는 반복되는 구조로서, 단량체가 중합에 의하여 중합체 내에 결합된 구조를 의미한다.In the present specification, the term “unit” refers to a repeating structure included in the polymer monomer, and refers to a structure in which the monomer is bound to the polymer by polymerization.
본 명세서에 있어서 '단위를 포함'의 의미는 중합체 내의 주쇄에 포함된다는 의미이다.In the present specification, the meaning of'comprising units' means being included in the main chain in the polymer.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함' 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In the present specification, when a part “includes” a certain component, this means that other components may be further included rather than excluding other components, unless specifically stated to the contrary.
본 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 '상에' 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.When a member is referred to as being'on' another member in the present specification, this includes not only the case where one member is in contact with the other member but also another member between the two members.
본 명세서에 있어서, 에너지 준위는 에너지의 크기를 의미하는 것이다. 따라서, 진공준위로부터 마이너스(-) 방향으로 에너지 준위가 표시되는 경우에도, 에너지 준위는 해당 에너지 값의 절대값을 의미하는 것으로 해석된다. 예컨대, HOMO 에너지 준위란 진공준위로부터 최고 점유 분자 오비탈(highest occupied molecular orbital)까지의 거리를 의미한다. 또한, LUMO 에너지 준위란 진공준위로부터 최저 비점유 분자 오비탈(lowest unoccupied molecular orbital)까지의 거리를 의미한다. In the present specification, the energy level means the amount of energy. Therefore, even when the energy level is displayed in the negative (-) direction from the vacuum level, the energy level is interpreted to mean the absolute value of the corresponding energy value. For example, the HOMO energy level means the distance from the vacuum level to the highest occupied molecular orbital. In addition, the LUMO energy level means the distance from the vacuum level to the lowest unoccupied molecular orbital.
본 명세서의 일 실시상태는 제1 전극; 상기 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 구비되고, 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 포함하며, 상기 광활성층은 전자 주개 및 전자 받개를 포함하고, 상기 전자 주개는 상기 화학식 1로 표시되는 제1 단위; 상기 화학식 2로 표시되는 제2 단위; 및 상기 화학식 3으로 표시되는 제3 단위를 포함하는 중합체를 포함하며, 상기 전자 받개는 비플러렌(non-fullerene)계 화합물을 포함하는 것인 유기 태양 전지를 제공한다.An exemplary embodiment of the present specification is a first electrode; A second electrode provided to face the first electrode; And one or more organic material layers provided between the first electrode and the second electrode and including a photoactive layer, wherein the photoactive layer includes an electron donor and an electron acceptor, and the electron donor is represented by Formula 1 A first unit; A second unit represented by
유기 태양 전지의 광활성층에서는 전자 주개와 전자 받개가 빛을 흡수하여 엑시톤(exiton)이 형성되며, 생성된 엑시톤은 전자 주개와 전자 받개의 계면으로 이동하여 전자와 정공으로 분리되고, 전자는 전자 받개를 따라, 정공은 전자 주개를 따라 각 전극으로 이동하여 전류가 생성된다. 이 때, 전자 주개와 전자 받개의 모폴로지(morphology)가 전기적으로 얼마나 잘 형성되는지 여부가 전류 생성에 결정적인 영향을 미치는데, 상기 중합체는 특히 비플러렌계 화합물과 모폴로지가 잘 형성되어, 결과적으로, 유기 태양 전지의 효율을 높일 수 있다.In the photoactive layer of the organic solar cell, an electron donor and an electron acceptor absorb light to form an exiton, and the generated exciton moves to the interface between the electron donor and the electron acceptor to separate into electrons and holes, and the electron to the electron acceptor In accordance with, holes move to each electrode along the electron donor to generate an electric current. At this time, how well the morphology of the electron donor and the electron acceptor is formed electrically has a decisive effect on the generation of current, and the polymer is particularly well formed with a non-fullerene compound and a morphology, resulting in organic The efficiency of the solar cell can be increased.
상기 치환기들의 예시들은 아래에서 설명하나, 이에 한정되는 것은 아니다. Examples of the substituents are described below, but are not limited thereto.
상기 '치환'이라는 용어는 화합물의 탄소 원자에 결합된 수소 원자가 다른 치환기로 바뀌는 것을 의미하며, 치환되는 위치는 수소 원자가 치환되는 위치 즉, 치환기가 치환 가능한 위치라면 한정하지 않으며, 2 이상 치환되는 경우, 2 이상의 치환기는 서로 동일하거나 상이할 수 있다.The term'substitution' means that the hydrogen atom bonded to the carbon atom of the compound is replaced with another substituent, and the position to be substituted is not limited to a position where the hydrogen atom is substituted, that is, a position where the substituent can be substituted, and when two or more are substituted , 2 or more substituents may be the same or different from each other.
본 명세서에서 '치환 또는 비치환된' 이라는 용어는 중수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴옥시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 및 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 이루어진 군에서 선택된 1개 이상의 치환기로 치환되었거나 상기 예시된 치환기 중 2 이상의 치환기가 연결된 치환기로 치환되거나, 또는 어떠한 치환기도 갖지 않는 것을 의미한다. 예컨대, '2 이상의 치환기가 연결된 치환기'는 비페닐기일 수 있다. 즉, 비페닐기는 아릴기일 수도 있고, 2개의 페닐기가 연결된 치환기로 해석될 수 있다. The term'substituted or unsubstituted' in this specification is deuterium; Halogen group; Nitrile group; Nitro group; Hydroxy group; A substituted or unsubstituted alkyl group; A substituted or unsubstituted cycloalkyl group; A substituted or unsubstituted alkoxy group; A substituted or unsubstituted aryloxy group; A substituted or unsubstituted alkenyl group; A substituted or unsubstituted aryl group; And substituted or unsubstituted heterocyclic groups, substituted with one or more substituents selected from the group consisting of substituted or unsubstituted substituents, or having no substituents. For example,'a substituent having two or more substituents' may be a biphenyl group. That is, the biphenyl group may be an aryl group or may be interpreted as a substituent to which two phenyl groups are connected.
본 명세서에 있어서, 할로겐기의 예로는 불소, 염소, 브롬 또는 요오드가 있다. In the present specification, examples of the halogen group include fluorine, chlorine, bromine or iodine.
본 명세서에 있어서, 상기 알킬기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있고, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나 1 내지 50인 것이 바람직하다. 구체적인 예로는 메틸, 에틸, 프로필, n-프로필, 이소프로필, 부틸, n-부틸, 이소부틸, tert-부틸, sec-부틸, 1-메틸-부틸, 1-에틸-부틸, 펜틸, n-펜틸, 이소펜틸, 네오펜틸, tert-펜틸, 헥실, n-헥실, 1-메틸펜틸, 2-메틸펜틸, 4-메틸-2-펜틸, 3,3-디메틸부틸, 2-에틸부틸, 헵틸, n-헵틸, 1-메틸헥실, 시클로펜틸메틸, 시클로헥실메틸, 옥틸, n-옥틸, tert-옥틸, 1-메틸헵틸, 2-에틸헥실, 2-프로필펜틸, n-노닐, 2,2-디메틸헵틸, 1-에틸-프로필, 1,1-디메틸-프로필, 이소헥실, 2-메틸헥실, 4-메틸헥실 및 5-메틸헥실 등이 있으나, 이들에 한정되지 않는다.In the present specification, the alkyl group may be straight chain or branched chain, and carbon number is not particularly limited, but is preferably 1 to 50. Specific examples are methyl, ethyl, propyl, n-propyl, isopropyl, butyl, n-butyl, isobutyl, tert-butyl, sec-butyl, 1-methyl-butyl, 1-ethyl-butyl, pentyl, n-pentyl , Isopentyl, neopentyl, tert-pentyl, hexyl, n-hexyl, 1-methylpentyl, 2-methylpentyl, 4-methyl-2-pentyl, 3,3-dimethylbutyl, 2-ethylbutyl, heptyl, n -Heptyl, 1-methylhexyl, cyclopentylmethyl, cyclohexylmethyl, octyl, n-octyl, tert-octyl, 1-methylheptyl, 2-ethylhexyl, 2-propylpentyl, n-nonyl, 2,2-dimethyl Heptyl, 1-ethyl-propyl, 1,1-dimethyl-propyl, isohexyl, 2-methylhexyl, 4-methylhexyl and 5-methylhexyl, but is not limited to these.
본 명세서에 있어서, 시클로알킬기는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 3 내지 60인 것이 바람직하며, 구체적으로 시클로프로필, 시클로부틸, 시클로펜틸, 3-메틸시클로펜틸, 2,3-디메틸시클로펜틸, 시클로헥실, 3-메틸시클로헥실, 4-메틸시클로헥실, 2,3-디메틸시클로헥실, 3,4,5-트리메틸시클로헥실, 4-tert-부틸시클로헥실, 시클로헵틸 및 시클로옥틸 등이 있으나, 이에 한정되지 않는다. In the present specification, the cycloalkyl group is not particularly limited, but preferably has 3 to 60 carbon atoms, specifically cyclopropyl, cyclobutyl, cyclopentyl, 3-methylcyclopentyl, 2,3-dimethylcyclopentyl, cyclohexyl, 3-methylcyclohexyl, 4-methylcyclohexyl, 2,3-dimethylcyclohexyl, 3,4,5-trimethylcyclohexyl, 4-tert-butylcyclohexyl, cycloheptyl and cyclooctyl, and the like. Does not.
본 명세서에 있어서, 상기 알콕시기는 직쇄, 분지쇄 또는 고리쇄일 수 있다. 알콕시기의 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 1 내지 20인 것이 바람직하다. 구체적으로, 메톡시, 에톡시, n-프로폭시, 이소프로폭시, i-프로필옥시, n-부톡시, 이소부톡시, tert-부톡시, sec-부톡시, n-펜틸옥시, 네오펜틸옥시, 이소펜틸옥시, n-헥실옥시, 3,3-디메틸부틸옥시, 2-에틸부틸옥시, n-옥틸옥시, n-노닐옥시, n-데실옥시, 벤질옥시 및 p-메틸벤질옥시 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the present specification, the alkoxy group may be a straight chain, branched chain or cyclic chain. The number of carbon atoms of the alkoxy group is not particularly limited, but is preferably 1 to 20 carbon atoms. Specifically, methoxy, ethoxy, n-propoxy, isopropoxy, i-propyloxy, n-butoxy, isobutoxy, tert-butoxy, sec-butoxy, n-pentyloxy, neopentyloxy, Isopentyloxy, n-hexyloxy, 3,3-dimethylbutyloxy, 2-ethylbutyloxy, n-octyloxy, n-nonyloxy, n-decyloxy, benzyloxy and p-methylbenzyloxy, etc. However, it is not limited thereto.
본 명세서에 있어서, 상기 알케닐기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있고, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 2 내지 40인 것이 바람직하다. 구체적인 예로는 비닐, 1-프로페닐, 이소프로페닐, 1-부테닐, 2-부테닐, 3-부테닐, 1-펜테닐, 2-펜테닐, 3-펜테닐, 3-메틸-1-부테닐, 1,3-부타디에닐, 알릴, 1-페닐비닐-1-일, 2-페닐비닐-1-일, 2,2-디페닐비닐-1-일, 2-페닐-2-(나프틸-1-일)비닐-1-일, 2,2-비스(디페닐-1-일)비닐-1-일, 스틸베닐기 및 스티레닐기 등이 있으나 이들에 한정되지 않는다.In the present specification, the alkenyl group may be straight chain or branched chain, and carbon number is not particularly limited, but is preferably 2 to 40. Specific examples include vinyl, 1-propenyl, isopropenyl, 1-butenyl, 2-butenyl, 3-butenyl, 1-pentenyl, 2-pentenyl, 3-pentenyl, 3-methyl-1- Butenyl, 1,3-butadienyl, allyl, 1-phenylvinyl-1-yl, 2-phenylvinyl-1-yl, 2,2-diphenylvinyl-1-yl, 2-phenyl-2-( Naphthyl-1-yl)vinyl-1-yl, 2,2-bis(diphenyl-1-yl)vinyl-1-yl, styrenyl group and styrenyl group, and the like, but are not limited thereto.
본 명세서에서 상기 아릴기가 단환식 아릴기인 경우 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 6 내지 25인 것이 바람직하다. 구체적으로 단환식 아릴기로는 페닐기, 바이페닐기 및 터페닐기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. In the present specification, when the aryl group is a monocyclic aryl group, the number of carbon atoms is not particularly limited, but is preferably 6 to 25 carbon atoms. Specifically, a monocyclic aryl group includes a phenyl group, a biphenyl group and a terphenyl group, but is not limited thereto.
본 명세서에서 상기 아릴기가 다환식 아릴기인 경우 탄소수는 특별히 한정되지 않으나. 탄소수 10 내지 24인 것이 바람직하다. 구체적으로 다환식 아릴기로는 나프틸기, 안트라세닐기, 페난트릴기, 파이레닐기, 페릴레닐기, 크라이세닐기 및 플루오레닐기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the present specification, when the aryl group is a polycyclic aryl group, the number of carbon atoms is not particularly limited. It is preferable that it has 10 to 24 carbon atoms. Specifically, polycyclic aryl groups include, but are not limited to, naphthyl group, anthracenyl group, phenanthryl group, pyrenyl group, perylenyl group, chrysenyl group and fluorenyl group.
본 명세서에 있어서, 상기 플루오레닐기는 치환될 수 있으며, 인접한 치환기들이 서로 결합하여 고리를 형성할 수 있다.In the present specification, the fluorenyl group may be substituted, and adjacent substituents may combine with each other to form a ring.
본 명세서에 있어서, 아릴렌기는 아릴기에 결합 위치가 두 개 있는 것 즉, 2가기를 의미한다. 이들은 각각 2가기인 것을 제외하고는 전술한 아릴기의 설명이 적용될 수 있다.In the present specification, the arylene group means that the aryl group has two bonding positions, that is, a divalent group. These may be applied to the description of the aryl group described above, except that each is a divalent group.
본 명세서에 있어서, 헤테로고리기는 탄소가 아닌 원자, 이종원자를 1 이상 포함하는 것으로서, 구체적으로 상기 이종 원자는 O, N, Se 및 S 등으로 이루어진 군에서 선택되는 원자를 1 이상 포함할 수 있다. 헤테로고리기의 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 2 내지 60인 것이 바람직하다. 헤테로 고리기의 예로는 티오펜기, 퓨란기, 피롤기, 이미다졸기, 티아졸기, 옥사졸기, 옥사디아졸기, 트리아졸기, 피리딜기, 비피리딜기, 피리미딜기, 트리아진기, 트리아졸기, 아크리딜기, 피리다진기, 피라지닐기, 퀴놀리닐기, 퀴나졸린기, 퀴녹살리닐기, 이소퀴놀린기, 인돌기, 카바졸기, 벤즈옥사졸기, 벤즈이미다졸기, 벤조티아졸기, 벤조카바졸기, 벤조티오펜기, 디벤조티오펜기, 벤조퓨라닐기, 페난쓰롤린(phenanthroline)기, 티아졸릴기, 이소옥사졸릴기, 옥사디아졸릴기, 티아디아졸릴기, 페노티아지닐기 및 디벤조퓨라닐기 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.In the present specification, the heterocyclic group includes one or more non-carbon atoms, heteroatoms, and specifically, the heteroatoms may include one or more atoms selected from the group consisting of O, N, Se, and S. The number of carbon atoms in the heterocyclic group is not particularly limited, but is preferably 2 to 60 carbon atoms. Examples of the heterocyclic group include thiophene group, furan group, pyrrol group, imidazole group, thiazole group, oxazole group, oxadiazole group, triazole group, pyridyl group, bipyridyl group, pyrimidyl group, triazine group, triazole group, Acridil group, pyridazine group, pyrazinyl group, quinolinyl group, quinazolinyl group, quinoxalinyl group, isoquinoline group, indole group, carbazole group, benzoxazole group, benzimidazole group, benzothiazole group, benzocarbazole group , Benzothiophene group, dibenzothiophene group, benzofuranyl group, phenanthroline group, thiazolyl group, isooxazolyl group, oxadiazolyl group, thiadiazolyl group, phenothiazinyl group and dibenzo Furanyl groups, and the like, but are not limited to these.
본 명세서에 있어서, 아릴옥시기의 아릴기는 전술한 아릴기의 예시와 같다. 구체적으로 아릴옥시기로는 페녹시, p-토릴옥시, m-토릴옥시, 3,5-디메틸-페녹시, 2,4,6-트리메틸페녹시, p-tert-부틸페녹시, 3-비페닐옥시, 4-비페닐옥시, 1-나프틸옥시, 2-나프틸옥시, 4-메틸-1-나프틸옥시, 5-메틸-2-나프틸옥시, 1-안트릴옥시, 2-안트릴옥시, 9-안트릴옥시, 1-페난트릴옥시, 3-페난트릴옥시 및 9-페난트릴옥시 등이 있으나, 이에 한정되지 않는다.In the present specification, the aryl group of the aryloxy group is the same as the example of the aryl group described above. Specifically, aryloxy groups include phenoxy, p-toryloxy, m-toryloxy, 3,5-dimethyl-phenoxy, 2,4,6-trimethylphenoxy, p-tert-butylphenoxy, and 3-biphenyl Oxy, 4-biphenyloxy, 1-naphthyloxy, 2-naphthyloxy, 4-methyl-1-naphthyloxy, 5-methyl-2-naphthyloxy, 1-anthryloxy, 2-anthryl Oxy, 9-anthryloxy, 1-phenanthryloxy, 3-phenanthryloxy and 9-phenanthryloxy, and the like, but are not limited thereto.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 비플러렌(non-fullerene)계 화합물은 하기 화학식 A로 표시될 수 있다.In one embodiment of the present specification, the non-fullerene-based compound may be represented by Formula A below.
[화학식 A][Formula A]
상기 화학식 A에 있어서, In Chemical Formula A,
Ra 내지 Rf는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 또는 치환 또는 비치환된 알킬기이고,Ra to Rf are the same as or different from each other, and each independently hydrogen; Or a substituted or unsubstituted alkyl group,
La 내지 Ld는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 아릴렌기; 또는 치환 또는 비치환된 2가의 헤테로고리기이며,La to Ld are the same as or different from each other, and each independently an substituted or unsubstituted arylene group; Or a substituted or unsubstituted divalent heterocyclic group,
Ma 및 Mb는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 할로겐기; 또는 치환 또는 비치환된 알킬기이고,Ma and Mb are the same as or different from each other, and each independently hydrogen; Halogen group; Or a substituted or unsubstituted alkyl group,
p 및 q는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 0 내지 2의 정수이며, p and q are the same as or different from each other, and each independently an integer of 0 to 2,
p 또는 q가 각각 2인 경우, 괄호 내의 구조는 서로 동일하다. When p or q are each 2, the structures in parentheses are the same.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, Ra 내지 Rd는 각각 알킬기이다.In one embodiment of the present specification, Ra to Rd are each alkyl groups.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, Ra 내지 Rd는 각각 탄소수 1 내지 30의 알킬기이다.In another exemplary embodiment, Ra to Rd are alkyl groups having 1 to 30 carbon atoms, respectively.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, Ra 내지 Rd는 각각 탄소수 1 내지 10의 알킬기이다.In another exemplary embodiment, Ra to Rd are alkyl groups having 1 to 10 carbon atoms, respectively.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, Re 및 Rf는 수소이다.In one embodiment of the present specification, Re and Rf are hydrogen.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, La 내지 Ld는 각각 아릴렌기이다.In one embodiment of the present specification, La to Ld are each arylene groups.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, La 내지 Ld는 각각 탄소수 6 내지 25의 아릴렌기이다.In another exemplary embodiment, La to Ld are arylene groups having 6 to 25 carbon atoms, respectively.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, La 내지 Ld는 페닐렌기이다.In another exemplary embodiment, La to Ld are phenylene groups.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, La 내지 Ld는 각각 2가의 헤테로고리기이다.In another exemplary embodiment, La to Ld are each a divalent heterocyclic group.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, La 내지 Ld는 각각 탄소수 2 내지 30인 2가의 헤테로고리기이다.In another exemplary embodiment, La to Ld are divalent heterocyclic groups having 2 to 30 carbon atoms, respectively.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, La 내지 Ld는 각각 탄소수 2 내지 10인 2가의 헤테로고리기이다.In another exemplary embodiment, La to Ld are divalent heterocyclic groups each having 2 to 10 carbon atoms.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, La 내지 Ld는 2가의 티오펜기이다.In another exemplary embodiment, La to Ld are divalent thiophene groups.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, Ma 및 Mb는 수소이다.In one embodiment of the present specification, Ma and Mb are hydrogen.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, Ma 및 Mb는 각각 알킬기이다.In another exemplary embodiment, Ma and Mb are each an alkyl group.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, Ma 및 Mb는 각각 탄소수 1 내지 10의 알킬기이다.In another exemplary embodiment, Ma and Mb are alkyl groups having 1 to 10 carbon atoms, respectively.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, Ma 및 Mb는 메틸기이다.In another exemplary embodiment, Ma and Mb are methyl groups.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, Ma 및 Mb는 각각 할로겐기이다.In another exemplary embodiment, Ma and Mb are each a halogen group.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, Ma 및 Mb는 불소이다.In another exemplary embodiment, Ma and Mb are fluorine.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, p 및 q는 각각 0이다.In one embodiment of the present specification, p and q are each 0.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, p 및 q는 각각 1이다.In another exemplary embodiment, p and q are 1, respectively.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, p 및 q는 각각 2이다.In another exemplary embodiment, p and q are 2, respectively.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 A로 표시되는 화합물은 하기 화학식 A-1 내지 A-5 중 어느 하나일 수 있다.In addition, in one embodiment of the present specification, the compound represented by Chemical Formula A may be any one of the following Chemical Formulas A-1 to A-5.
[화학식 A-1] [Formula A-1]
[화학식 A-2][Formula A-2]
[화학식 A-3][Formula A-3]
[화학식 A-4][Formula A-4]
[화학식 A-5][Formula A-5]
본 명세서에서, 상기 Me는 메틸기를 의미한다.In the present specification, Me means a methyl group.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 비플러렌(non-fullerene)계 화합물은 플러렌계 화합물보다 열 안정성이 높다.In one embodiment of the present specification, the non-fullerene-based compound has higher thermal stability than the fullerene-based compound.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 비플러렌(non-fullerene)계 화합물을 광활성층의 전자 받개로 포함하고, 상기 중합체를 광활성층의 전자 주개로 포함하는 유기 태양 전지는 열 안정성이 우수하고, 전력 변환 효율이 우수하다.In addition, in one embodiment of the present specification, the organic solar cell including the non-fullerene-based compound as an electron acceptor of the photoactive layer and the polymer as an electron donor of the photoactive layer has excellent thermal stability. And the power conversion efficiency is excellent.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 중합체는 상기 화학식 1로 표시되는 제1 단위를 포함한다. The polymer according to the exemplary embodiment of the present specification includes the first unit represented by
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 A1 내지 A4 중 2개의 기는 각각 불소 또는 염소이며, 서로 벤젠고리의 대향하는 위치, 즉 파라 위치에 치환될 수 있다.이 경우, 상기 제1 단위의 불소 또는 염소는 제1 단위의 티오펜의 S 원자와 서로 상호 작용을 하여, 중합체의 평면성이 증가한다. In one embodiment of the present specification, two groups of A1 to A4 are fluorine or chlorine, respectively, and may be substituted at opposite positions of a benzene ring, that is, a para position. In this case, the first unit of fluorine or Chlorine interacts with the S atom of the thiophene of the first unit to increase the planarity of the polymer.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 A1 내지 A4는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로, 수소, 불소 또는 염소이며, A1 내지 A4 중 적어도 하나는 불소 또는 염소이다.In one embodiment of the present specification, A1 to A4 are the same as or different from each other, and each independently hydrogen, fluorine, or chlorine, and at least one of A1 to A4 is fluorine or chlorine.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 A1 내지 A4 중 적어도 하나는 불소이다. In one embodiment of the present specification, at least one of A1 to A4 is fluorine.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 A1 내지 A4 중 2개의 기는 각각 불소 또는 염소이며, 상기 2개의 기는 벤젠고리에 대하여 서로 오쏘(ortho) 또는 파라(para) 위치에 존재할 수 있다.In one embodiment of the present specification, two groups of A1 to A4 are fluorine or chlorine, respectively, and the two groups may exist at ortho or para positions with respect to a benzene ring.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 A1 및 A4는 각각 불소 이고, A2 및 A3는 각각 수소이다.In one embodiment of the present specification, A1 and A4 are each fluorine, and A2 and A3 are each hydrogen.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 A2 및 A3 각각 불소이고, A1 및 A4는 각각 수소이다.In one embodiment of the present specification, A2 and A3 are each fluorine, and A1 and A4 are each hydrogen.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 A1 및 A2는 각각 불소이고, A3 및 A4는 각각 수소이다.In one embodiment of the present specification, A1 and A2 are each fluorine, and A3 and A4 are each hydrogen.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 A1은 불소이고 A2 내지 A4는 각각 수소이다.In one embodiment of the present specification, A1 is fluorine and A2 to A4 are each hydrogen.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 A1 내지 A4는 각각 불소이다.In one embodiment of the present specification, A1 to A4 are each fluorine.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 a는 1이다. In one embodiment of the present specification, a is 1.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 b는 1이다. In another exemplary embodiment, b is 1.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R1 은 수소이다. In one embodiment of the present specification, R1 is hydrogen.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R2는 수소이다. In another exemplary embodiment, R2 is hydrogen.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R3는 수소이다. In another exemplary embodiment, R3 is hydrogen.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R4는 수소이다. In one embodiment of the present specification, R4 is hydrogen.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 중합체는 상기 화학식 2로 표시되는 제2 단위를 포함한다.The polymer according to the exemplary embodiment of the present specification includes the second unit represented by
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 X1은 S이다. In one embodiment of the present specification, X1 is S.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R10은 수소이다. In one embodiment of the present specification, R10 is hydrogen.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R11은 수소이다. In another exemplary embodiment, R11 is hydrogen.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 2로 표시되는 제2 단위는 하기 화학식 2-1로 표시될 수 있다.In one embodiment of the present specification, the second unit represented by
[화학식 2-1][Formula 2-1]
상기 화학식 2-1에서, In Chemical Formula 2-1,
R10 및 R11은 화학식 2에서 정의한 바와 동일하다. R10 and R11 are the same as defined in the formula (2).
이 경우에, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 화학식 1로 표시되는 제1 단위의 불소 또는 염소와 서로 상호 작용을 더욱 기대할 수 있다. In this case, interaction with the fluorine or chlorine of the first unit represented by
본 명세서의 일 실시상태에 따른 중합체는 상기 화학식 3으로 표시되는 제3 단위를 포함한다.The polymer according to the exemplary embodiment of the present specification includes the third unit represented by Chemical Formula 3.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 X2는 S이다. In one embodiment of the present specification, X2 is S.
또 다른 실시상태에 있어서, 상기 X3는 S이다. In another exemplary embodiment, X3 is S.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 X4는 S이다. In one embodiment of the present specification, X4 is S.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 Y1는 N이다. In one embodiment of the present specification, Y1 is N.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 Y2는 N이다. In another exemplary embodiment, Y2 is N.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 d는 0이다. In another exemplary embodiment, d is 0.
또 다른 실시상태에 있어서, 상기 d는 1이다. In another exemplary embodiment, d is 1.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 e는 1이다. In one embodiment of the present specification, e is 1.
또 다른 실시상태에 있어서, 상기 e는 0이다. In another exemplary embodiment, e is 0.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 Q1은 수소이다. In one embodiment of the present specification, Q1 is hydrogen.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 Q2는 수소이다. In one embodiment of the present specification, Q2 is hydrogen.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 Q3는 수소이다. In one embodiment of the present specification, Q3 is hydrogen.
본 명세서의 하나의 실시상태에 있어서, 상기 Q4는 수소이다.In one embodiment of the present specification, Q4 is hydrogen.
본 명세서의 일 실시상태에서, 화학식 3으로 표시되는 제3 단위의 R20 및 R21은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 알콕시기; 또는 치환 또는 비치환된 아릴옥시기이다. 이 경우, R20 및 R21의 O 원자; 화학식 1로 표시되는 제1 단위의 불소 또는 염소; 및 화학식 2로 표시되는 제2 단위의 S 원자가 서로 상호 작용을 통하여, 분자간의 팩킹(packing)을 향상시킬 수 있다.In one embodiment of the present specification, R20 and R21 of the third unit represented by Chemical Formula 3 are the same as or different from each other, and each independently substituted or unsubstituted alkoxy group; Or a substituted or unsubstituted aryloxy group. In this case, the O atom of R20 and R21; Fluorine or chlorine of the first unit represented by
따라서, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 중합체를 포함하는 경우에는 필팩터(FF)의 증가를 유도할 수 있어, 높은 효율의 소자를 제공할 수 있다.Therefore, when the polymer according to the exemplary embodiment of the present specification is included, it is possible to induce an increase in the fill factor (FF), thereby providing a device with high efficiency.
본 명세서에서 상호 작용이란, 화학 구조 또는 화학 구조를 구성하는 원자들이 서로 공유 결합 이외의 작용에 의하여 영향을 주고 받는 비공유 결합성 상호 작용을 하는 것을 의미하며, 예컨대, 칼코겐(chalcogen) 결합을 의미할 수 있다. In the present specification, the interaction means a non-covalent interaction in which chemical structures or atoms constituting the chemical structure are affected and influenced by an action other than a covalent bond with each other, for example, a chalcogen bond. can do.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 중합체는 단위 내 또는 이웃하여 있는 다른 단위와 비공유 결합성의 상호 작용을 통하여, 중합체의 백본(backbone)의 비틀림 각(torsion angle)을 최소화 시켜, 중합체의 평면성이 향상될 수 있다. 또한, 비공유 결합성 상호 작용은 파이-파이 스택킹(π-π stacking)을 향상시켜, 폴라론(polaron)과 엑시톤(exiton)의 비편재화(delocalization)로 인하여, 전하 이동도가 향상되며, 팩킹(packing)이 용이한 효과가 있다. The polymer according to the exemplary embodiment of the present specification minimizes the torsion angle of the backbone of the polymer through interaction of non-covalent bonds with other units within or adjacent to the unit, thereby improving the flatness of the polymer. Can. In addition, the non-covalent interaction improves pi-pi stacking, thereby improving charge mobility due to delocalization of polaron and exiton, and packaging (packing) has an easy effect.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R20 및 상기 R21은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 알콕시기이다. In one embodiment of the present specification, R20 and R21 are the same as or different from each other, and each independently an substituted or unsubstituted alkoxy group.
또 다른 실시상태에 있어서, 상기 R20 및 상기 R21은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알콕시기이다. In another exemplary embodiment, R20 and R21 are the same as or different from each other, and each independently an substituted or unsubstituted alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R20 및 상기 R21은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 도데실옥시기이다. In another exemplary embodiment, R20 and R21 are the same as or different from each other, and each independently a substituted or unsubstituted dodecyloxy group.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R20 및 R21은 도데실옥시기이다. In one embodiment of the present specification, R20 and R21 are dodecyloxy groups.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R20 및 R21은 에틸헥실옥시기이다.In one embodiment of the present specification, R20 and R21 are ethylhexyloxy groups.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 3으로 표시되는 제3 단위는 하기 화학식 3-1 또는 화학식 3-2 로 표시된다. In one embodiment of the present specification, the third unit represented by Chemical Formula 3 is represented by the following Chemical Formula 3-1 or Chemical Formula 3-2.
[화학식 3-1][Formula 3-1]
[화학식 3-2][Formula 3-2]
상기 화학식 3-1 및 화학식 3-2에서, In Chemical Formulas 3-1 and 3-2,
R20 및 R21은 화학식 3에서 정의한 바와 동일하다. R20 and R21 are the same as defined in Chemical Formula 3.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 중합체는 하기 화학식 4로 표시되는 단위를 포함한다. In one embodiment of the present specification, the polymer includes a unit represented by Chemical Formula 4 below.
[화학식 4][Formula 4]
상기 화학식 4에서, In Chemical Formula 4,
l은 몰분율로서, 0 < l < 1인 실수이며,l is the molar fraction, and is a real number with 0 <l <1,
m은 몰분율로서, 0 < m < 1인 실수이고, m is the molar fraction, 0 <m <1 is a real number,
l+m = 1이며,l+m = 1,
A는 상기 화학식 1로 표시되는 제1 단위이고, A is the first unit represented by
B는 상기 화학식 2로 표시되는 제2 단위이며, B is a second unit represented by
C 및 C'는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 상기 화학식 3으로 표시되는 제 3 단위이고, C and C'are the same as or different from each other, and each independently a third unit represented by Chemical Formula 3,
n은 단위의 반복수로서, 1 내지 10,000의 정수이다. n is a repetition number of units, and is an integer of 1 to 10,000.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 4의 A는 상기 화학식 1로 표시되는 제1 단위이고, a 및 b는 각각 독립적으로 1 내지 3의 정수, 바람직하게는 1이다.In one embodiment of the present specification, A in Chemical Formula 4 is a first unit represented by
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 4의 B는 상기 화학식 2-1로 표시되는 제2 단위이다.In one embodiment of the present specification, B in Chemical Formula 4 is a second unit represented by Chemical Formula 2-1.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 4의 C 및 C'는 상기 화학식 3-1로 표시되는 제3 단위이다.In one embodiment of the present specification, C and C'in Chemical Formula 4 are third units represented by Chemical Formula 3-1.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 중합체는 하기 화학식 5-1 내지 5-4 중 어느 하나로 표시되는 단위를 포함한다.In one embodiment of the present specification, the polymer includes a unit represented by any one of the following Chemical Formulas 5-1 to 5-4.
[화학식 5-1][Formula 5-1]
[화학식 5-2][Formula 5-2]
[화학식 5-3][Formula 5-3]
[화학식 5-4][Formula 5-4]
상기 화학식 5-1 내지 5-4에서,In Chemical Formulas 5-1 to 5-4,
R22 내지 R25는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 알킬기; 또는 치환 또는 비치환된 아릴기이며,R22 to R25 are the same as or different from each other, and each independently a substituted or unsubstituted alkyl group; Or a substituted or unsubstituted aryl group,
R26 내지 R31은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 또는 치환 또는 비치환된 알킬기이고,R26 to R31 are the same as or different from each other, and each independently hydrogen; Or a substituted or unsubstituted alkyl group,
A1 내지 A4는 화학식 1에서 정의한 바와 동일하며,A1 to A4 are the same as defined in
l은 몰분율로서, 0 < l < 1인 실수이고,l is the molar fraction, 0 <l <1 is a real number,
m은 몰분율로서, 0 < m < 1인 실수이며, m is the molar fraction, and is a real number with 0 <m <1,
l+m = 1이고,l+m = 1,
n은 단위의 반복수로서, 1 내지 10,000의 정수이다.n is a repetition number of units, and is an integer of 1 to 10,000.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R22 내지 R25는 각각 알킬기이다.In one embodiment of the present specification, R22 to R25 are each an alkyl group.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, R22 내지 R25는 각각 탄소수 1 내지 15의 알킬기이다.In another exemplary embodiment, R22 to R25 are alkyl groups having 1 to 15 carbon atoms, respectively.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, R22 내지 R25는 각각 탄소수 1 내지 15의 알킬기이다.In another exemplary embodiment, R22 to R25 are alkyl groups having 1 to 15 carbon atoms, respectively.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, R22 내지 R25는 각각 도데실기이다.In another exemplary embodiment, R22 to R25 are each a dodecyl group.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, R22 내지 R25는 각각 에틸헥실기이다.In another exemplary embodiment, R22 to R25 are each an ethylhexyl group.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R26 내지 R31은 수소이다.In one embodiment of the present specification, R26 to R31 are hydrogen.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, A1 내지 A4는 각각 불소이다.In one embodiment of the present specification, A1 to A4 are each fluorine.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 l은 0.5이다. In one embodiment of the present specification, l is 0.5.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 m은 0.5이다. In another exemplary embodiment, m is 0.5.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 중합체는 하기 화학식 6-1 내지 6-5 중 어느 하나로 표시되는 단위를 포함한다.In one embodiment of the present specification, the polymer includes a unit represented by any one of the following Chemical Formulas 6-1 to 6-5.
[화학식 6-1][Formula 6-1]
[화학식 6-2][Formula 6-2]
[화학식 6-3][Formula 6-3]
[화학식 6-4][Formula 6-4]
[화학식 6-5][Formula 6-5]
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 중합체는 랜덤 중합체다. 또한, 랜덤 중합체의 경우에 용해도가 향상되어, 소자의 제조 공정상 시간 비용적으로 경제적인 효과가 있다. In one embodiment of the present specification, the polymer is a random polymer. In addition, in the case of a random polymer, solubility is improved, and there is an economical effect in time and cost in the device manufacturing process.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 중합체의 말단기는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기; 또는 치환 또는 비치환된 아릴기이다. In one embodiment of the present specification, the terminal group of the polymer is a substituted or unsubstituted heterocyclic group; Or a substituted or unsubstituted aryl group.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 중합체의 말단기는 4-(트리플루오로메틸)페닐(4-(trifluoromethyl)phenyl)기이다. In one embodiment of the present specification, the terminal group of the polymer is a 4-(trifluoromethyl)phenyl (4-(trifluoromethyl)phenyl) group.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 중합체의 말단기는 브로모-티오펜(bromo-thiophene)기이다.In one embodiment of the present specification, the terminal group of the polymer is a bromo-thiophene group.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 중합체의 말단기는 트라이플루오로-벤젠(trifluoro-benzene)기이다. In another exemplary embodiment, the terminal group of the polymer is a trifluoro-benzene group.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자 주개는 상기 화학식 1로 표시되는 제1 단위; 상기 화학식 2로 표시되는 제2 단위; 및 상기 화학식 3으로 표시되는 제3 단위를 포함하는 중합체이며, 상기 전자 받개는 비플러렌계 화합물이다.In one embodiment of the present specification, the electron donor is a first unit represented by
또 하나의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자 주개는 상기 화학식 5로 표시되는 단위를 포함하는 중합체이며, 상기 전자 받개는 상기 화학식 A-1로 표시되는 화합물이다.In another exemplary embodiment, the electron donor is a polymer including a unit represented by
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자 주개와 전자 받개의 질량비는 1:1 내지 1:4이다. 바람직하게는, 1:1.5 내지 1:2.5이며, 더욱 바람직하게는 1:1.8 내지 1:2.2이다. In one embodiment of the present specification, the mass ratio of the electron donor and the electron acceptor is 1:1 to 1:4. Preferably, it is 1:1.5 to 1:2.5, and more preferably 1:1.8 to 1:2.2.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 중합체의 수평균 분자량은 5,000 g/mol 내지 1,000,000 g/mol이 바람직하다. According to one embodiment of the present specification, the number average molecular weight of the polymer is preferably 5,000 g/mol to 1,000,000 g/mol.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 중합체는 1 내지 10의 분자량 분포를 가질 수 있다. 바람직하게는 상기 중합체는 1 내지 3의 분자량 분포를 가진다. According to an exemplary embodiment of the present specification, the polymer may have a molecular weight distribution of 1 to 10. Preferably, the polymer has a molecular weight distribution of 1 to 3.
분자량 분포는 낮을수록, 수평균 분자량이 커질수록 전기적 특성과 기계적 특성이 더 좋아진다.The lower the molecular weight distribution and the larger the number average molecular weight, the better the electrical and mechanical properties.
또한, 일정 이상의 용해도를 가져서 용액도포법 적용이 유리하도록 하기 위해 수평균 분자량은 100,000 g/mol 이하인 것이 바람직하다. In addition, it is preferable that the number average molecular weight is 100,000 g/mol or less in order to have a solubility of a certain level or more, so that application of the solution coating method is advantageous.
상기 중합체는 각 단위의 단량체를 클로로 벤젠을 용매로 하여, Pd2(dba)3 및 P(o-tolyl)3 와 함께 넣고 마이크로웨이브 반응기로 중합하여 제조될 수 있다. The polymer may be prepared by adding monomers of each unit to chlorobenzene as a solvent, putting together Pd 2 (dba) 3 and P(o-tolyl) 3, and polymerizing them in a microwave reactor.
본 명세서에 따른 중합체는 다단계 화학반응으로 제조할 수 있다. 알킬화 반응, 그리냐르(Grignard) 반응, 스즈끼(Suzuki) 커플링 반응 및 스틸(Stille) 커플링 반응 등을 통하여 모노머들을 제조한 후, 스틸 커플링 반응 등의 탄소-탄소 커플링 반응을 통하여 최종 중합체들을 제조할 수 있다. 도입하고자 하는 치환기가 보론산(boronic acid) 또는 보론산 에스터(boronic ester) 화합물인 경우에는 스즈키 커플링 반응을 통해 제조할 수 있고, 도입하고자 하는 치환기가 트리부틸틴(tributyltin) 또는 트리메틸틴(trimethyltin) 화합물인 경우에는 스틸 커플링 반응을 통해 제조할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The polymer according to the present specification can be prepared by a multi-step chemical reaction. After preparing the monomers through an alkylation reaction, a Grignard reaction, a Suzuki coupling reaction, and a Stille coupling reaction, a final polymer is obtained through a carbon-carbon coupling reaction such as a steel coupling reaction. You can manufacture them. When the substituent to be introduced is a boronic acid or a boronic ester compound, it can be prepared through a Suzuki coupling reaction, and the substituent to be introduced is tributyltin or trimethyltin ) In the case of a compound, it may be prepared through a steel coupling reaction, but is not limited thereto.
본 명세서의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지는 제1 전극, 광활성층 및 제2 전극을 포함한다. 상기 유기 태양 전지는 기판, 정공수송층 및/또는 전자수송층이 더 포함될 수 있다.The organic solar cell according to the exemplary embodiment of the present specification includes a first electrode, a photoactive layer, and a second electrode. The organic solar cell may further include a substrate, a hole transport layer and/or an electron transport layer.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지가 외부 광원으로부터 광자를 받으면 전자 주개와 전자 받개 사이에서 전자와 정공이 발생한다. 발생된 정공은 전자 주개층을 통하여 애노드로 수송된다.In an exemplary embodiment of the present specification, when the organic solar cell receives photons from an external light source, electrons and holes are generated between the electron donor and the electron acceptor. The generated holes are transported to the anode through the electron donor layer.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 부가적인 유기물층을 더 포함할 수 있다. 상기 유기 태양 전지는 여러 기능을 동시에 갖는 유기물을 사용하여 유기물층의 수를 감소시킬 수 있다.In one embodiment of the present specification, the organic solar cell may further include an additional organic material layer. The organic solar cell may reduce the number of organic material layers by using organic materials having multiple functions simultaneously.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극은 애노드이고, 상기 제2전극은 캐소드이다. 또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극은 캐소드이고,상기 제2 전극은 애노드이다.In one embodiment of the present specification, the first electrode is an anode, and the second electrode is a cathode. In another exemplary embodiment, the first electrode is a cathode, and the second electrode is an anode.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 유기 태양 전지는 캐소드, 광활성층 및 애노드 순으로 배열될 수도 있고, 애노드, 광활성층 및 캐소드 순으로 배열될 수도 있으나, 이에 한정되지 않는다.In one embodiment of the present specification, the organic solar cell may be arranged in order of cathode, photoactive layer and anode, or may be arranged in order of anode, photoactive layer and cathode, but is not limited thereto.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 애노드, 정공수송층,광활성층, 전자수송층 및 캐소드 순으로 배열될 수도 있고, 캐소드, 전자수송층, 광활성층, 정공수송층 및 애노드 순으로 배열될 수도 있으나, 이에 한정되지 않는다.In another exemplary embodiment, the organic solar cell may be arranged in the order of an anode, a hole transport layer, a photoactive layer, an electron transport layer, and a cathode, or may be arranged in the order of a cathode, an electron transport layer, a photoactive layer, a hole transport layer, and an anode. , But is not limited to this.
도 1은 애노드(101), 정공수송층(102), 광활성층(103) 및 캐소드(104)를 포함하는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기 태양 전지를 나타낸 도이다.1 is a view showing an organic solar cell according to an exemplary embodiment of the present disclosure, including an
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 노멀(Normal)구조이다. 상기 노멀구조에서는 기판, 제1 전극, 정공수송층, 광활성층을 포함하는 유기물층, 전자수송층 및 제2 전극의 순서로 적층될 수 있다. In one embodiment of the present specification, the organic solar cell has a normal structure. In the normal structure, a substrate, a first electrode, a hole transport layer, an organic material layer including a photoactive layer, an electron transport layer, and a second electrode may be stacked in this order.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 인버티드(Inverted) 구조이다. 상기 인버티드 구조에서는 기판, 제1 전극, 전자수송층, 광활성층을 포함하는 유기물층, 정공수송층 및 제2 전극의 순서로 적층될 수 있다.In one embodiment of the present specification, the organic solar cell has an inverted structure. In the inverted structure, a substrate, a first electrode, an electron transport layer, an organic material layer including a photoactive layer, a hole transport layer, and a second electrode may be stacked in this order.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극은 애노드이고, 상기 제2 전극은 캐소드이다. 또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극은 캐소드이고, 상기 제2 전극은 애노드이다.In one embodiment of the present specification, the first electrode is an anode, and the second electrode is a cathode. In another exemplary embodiment, the first electrode is a cathode, and the second electrode is an anode.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 탠덤(tandem)구조이다. 이 경우 상기 유기 태양 전지는 2 층 이상의 광활성층을 포함할 수 있다. 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기 태양 전지는 광활성층이 1층 또는 2층 이상일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the organic solar cell has a tandem structure. In this case, the organic solar cell may include two or more photoactive layers. In the organic solar cell according to the exemplary embodiment of the present specification, the photoactive layer may be one layer or two or more layers.
또 하나의 실시상태에 있어서, 버퍼층이 광활성층과 정공수송층 사이 또는 광활성층과 전자수송층 사이에 구비될 수 있다. 이때, 정공주입층이 애노드와 정공수송층 사이에 더 구비될 수 있다. 또한, 전자주입층이 캐소드와 전자수송층 사이에 더 구비될 수 있다.In another exemplary embodiment, a buffer layer may be provided between the photoactive layer and the hole transport layer or between the photoactive layer and the electron transport layer. At this time, a hole injection layer may be further provided between the anode and the hole transport layer. Further, an electron injection layer may be further provided between the cathode and the electron transport layer.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자 주개 및 전자 받개는 벌크 헤테로 정션(BHJ)을 구성한다.In one embodiment of the present specification, the electron donor and the electron acceptor constitute a bulk heterojunction (BHJ).
벌크 헤테로 정션이란 광활성층에서 전자 주개 물질과 전자 받개 물질이 서로 섞여 있는 것을 의미한다.The bulk heterojunction means that the electron donor material and the electron acceptor material are mixed with each other in the photoactive layer.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광활성층은 첨가제를 더 포함한다.In one embodiment of the present specification, the photoactive layer further includes an additive.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 첨가제의 분자량은 50 g/mol 내지 300 g/mol이다.In one embodiment of the present specification, the molecular weight of the additive is 50 g/mol to 300 g/mol.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 첨가제의 끓는점은 30℃ 내지 300℃의 유기물이다.In another exemplary embodiment, the boiling point of the additive is an organic material of 30 ℃ to 300 ℃.
본 명세서에서 유기물이란 탄소 원자를 적어도 1 이상 포함하는 물질을 의미한다.In the present specification, the organic material means a material containing at least one carbon atom.
하나의 실시상태에 있어서, 상기 첨가제는 1,8-다이이오도옥탄(DIO:1,8-diiodooctane), 1-클로로나프탈렌(1-CN:1-chloronaphthalene), 다이페닐에테르(DPE:diphenylether), 옥탄디티올(octane dithiol) 및 테트라브로모티오펜(tetrabromothiophene)으로 이루어진 군에서 선택되는 첨가제 중에서 1 또는 2 종의 첨가제를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the additive is 1,8-diiodooctane (DIO:1,8-diiodooctane), 1-chloronaphthalene (1-CN:1-chloronaphthalene), diphenyl ether (DPE:diphenylether) , Octane dithiol (octane dithiol) and tetrabromothiophene (tetrabromothiophene) may further include one or two additives selected from the group consisting of.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광활성층은 n형 유기물층 및 p형 유기물층을 포함하는 이층 박막(bilayer) 구조이며, 상기 p형 유기물층은 상기 중합체를 포함한다.In one embodiment of the present specification, the photoactive layer is a bilayer structure including an n-type organic material layer and a p-type organic material layer, and the p-type organic material layer includes the polymer.
본 명세서에서 상기 기판은 투명성, 표면평활성, 취급용이성 및 방수성이 우수한 유리기판 또는 투명 플라스틱 기판이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 유기 태양 전지에 통상적으로 사용되는 기판이면 제한되지 않는다. 구체적으로 유리 또는 PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthalate), PP(polypropylene), PI(polyimide) 및 TAC(triacetyl cellulose) 등이 있으나. 이에 한정되는 것은 아니다.In the present specification, the substrate may be a glass substrate or a transparent plastic substrate having excellent transparency, surface smoothness, ease of handling, and waterproofness, but is not limited thereto, and is not limited if it is a substrate commonly used in organic solar cells. Specifically, there are glass or PET (polyethylene terephthalate), PEN (polyethylene naphthalate), PP (polypropylene), PI (polyimide) and TAC (triacetyl cellulose). It is not limited to this.
상기 제1 전극의 재료는 투명하고 전도성이 우수한 물질이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 바나듐, 크롬, 구리, 아연, 금과 같은 금속 또는 이들의 합금; 아연 산화물, 인듐 산화물, 인듐주석 산화물(ITO), 인듐아연 산화물(IZO)과 같은 금속 산화물; ZnO:Al 또는 SnO2:Sb와 같은 금속과 산화물의 조합; 및 폴리(3-메틸싸이오펜), 폴리[3,4-(에틸렌-1,2-디옥시)티오펜](PEDOT), 폴리피롤 및 폴리아닐린과 같은 전도성 고분자 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.The material of the first electrode may be a material that is transparent and has excellent conductivity, but is not limited thereto. Metals such as vanadium, chromium, copper, zinc, gold or alloys thereof; Metal oxides such as zinc oxide, indium oxide, indium tin oxide (ITO), and indium zinc oxide (IZO); A combination of metal and oxide such as ZnO:Al or SnO 2 :Sb; And conductive polymers such as poly(3-methylthiophene), poly[3,4-(ethylene-1,2-dioxy)thiophene] (PEDOT), polypyrrole and polyaniline, but is not limited thereto. .
상기 제1 전극의 형성 방법은 특별히 한정되지 않으나, 예컨대 스퍼터링, E-빔, 열증착, 스핀코팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 닥터 블레이드 또는 그라비아 프린팅법을 사용할 수 있다.The method for forming the first electrode is not particularly limited, and for example, sputtering, E-beam, thermal deposition, spin coating, screen printing, inkjet printing, doctor blade or gravure printing may be used.
상기 제1 전극을 기판 상에 형성하는 경우, 이는 세정, 수분제거 및 친수성 개질 과정을 거칠 수 있다. When the first electrode is formed on a substrate, it may undergo cleaning, water removal, and hydrophilic modification processes.
예컨대, 패터닝된 ITO 기판을 세정제, 아세톤, 이소프로필 알코올(IPA)로 순차적으로 세정한 다음, 수분 제거를 위해 가열판에서 100℃ 내지 150℃에서 1분 내지 30분간, 바람직하게는 120℃에서 10분간 건조하고, 기판이 완전히 세정되면 기판 표면을 친수성으로 개질한다.For example, the patterned ITO substrate is sequentially washed with a cleaning agent, acetone, and isopropyl alcohol (IPA), and then heated at 100° C. to 150° C. for 1 to 30 minutes, preferably 120° C. for 10 minutes to remove moisture. When dried and the substrate is completely cleaned, the surface of the substrate is modified to be hydrophilic.
상기와 같은 표면 개질을 통해 접합 표면 전위를 광활성층의 표면 전위에 적합한 수준으로 유지할 수 있다. 또한, 개질 시 제1 전극 위에 고분자 박막의 형성이 용이해지고, 박막의 품질이 향상될 수도 있다. Through the above surface modification, the junction surface potential can be maintained at a level suitable for the surface potential of the photoactive layer. In addition, it is easy to form a polymer thin film on the first electrode during modification, and the quality of the thin film may be improved.
제1 전극의 전 처리 기술로는 a) 평행 평판형 방전을 이용한 표면 산화법, b) 진공상태에서 UV 자외선을 이용하여 생성된 오존을 통해 표면을 산화하는 방법, 및 c) 플라즈마에 의해 생성된 산소 라디칼을 이용하여 산화하는 방법 등이 있다.Pretreatment techniques for the first electrode include: a) a surface oxidation method using a parallel plate discharge, b) a method of oxidizing the surface through ozone generated using UV ultraviolet rays in a vacuum, and c) oxygen generated by plasma And oxidation using a radical.
제1 전극 또는 기판의 상태에 따라 상기 방법 중 한가지를 선택할 수 있다. 다만, 어느 방법을 이용하든지 공통적으로 제1 전극 또는 기판 표면의 산소이탈을 방지하고 수분 및 유기물의 잔류를 최대한 억제하는 것이 바람직하다. 이 때, 전 처리의 실질적인 효과를 극대화할 수 있다. One of the above methods can be selected according to the state of the first electrode or the substrate. However, regardless of which method is commonly used, it is preferable to prevent oxygen escape from the surface of the first electrode or the substrate and to suppress the residual of moisture and organic substances as much as possible. At this time, the practical effect of the pretreatment can be maximized.
구체적인 예로서, UV를 이용하여 생성된 오존을 통해 표면을 산화하는 방법을 사용할 수 있다. 이 때, 초음파 세정 후 패터닝된 ITO 기판을 가열판(hot plate)에서 베이킹(baking)하여 잘 건조시킨 다음, 챔버에 투입하고, UV 램프를 작용시켜 산소 가스가 UV 광과 반응하여 발생하는 오존에 의하여 패터닝된 ITO 기판을 세정할 수 있다. As a specific example, a method of oxidizing the surface through ozone generated using UV may be used. At this time, after the ultrasonic cleaning, the patterned ITO substrate is baked on a hot plate to dry it well, and then put into a chamber, and by operating a UV lamp, the oxygen gas reacts with UV light to generate ozone. The patterned ITO substrate can be cleaned.
그러나, 본 명세서에 있어서의 패터닝된 ITO 기판의 표면 개질 방법은 특별히 한정시킬 필요는 없으며, 기판을 산화시키는 방법이라면 어떠한 방법도 무방하다.However, the method of surface modification of the patterned ITO substrate in the present specification is not particularly limited, and any method may be used as long as it is a method of oxidizing the substrate.
상기 제2 전극은 일함수가 작은 금속이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 구체적으로 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 티타늄, 인듐, 이트륨, 리튬, 가돌리늄, 알루미늄, 은, 주석 및 납과 같은 금속 또는 이들의 합금; 또는 LiF/Al, LiO2/Al, LiF/Fe, Al:Li, Al:BaF2, Al:BaF2:Ba와 같은 다층 구조의 물질이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The second electrode may be a metal having a small work function, but is not limited thereto. Metals such as magnesium, calcium, sodium, potassium, titanium, indium, yttrium, lithium, gadolinium, aluminum, silver, tin and lead or alloys thereof; Alternatively, a material having a multilayer structure such as LiF/Al, LiO 2 /Al, LiF/Fe, Al:Li, Al:BaF 2 or Al:BaF 2 :Ba may be used, but is not limited thereto.
상기 제2 전극은 5x10-7torr 이하의 진공도를 보이는 열증착기 내부에서 증착되어 형성될 수 있으나, 이 방법에만 한정되는 것은 아니다.The second electrode may be formed by being deposited inside a thermal evaporator showing a vacuum of 5x10 -7 torr or less, but is not limited to this method.
상기 정공수송층 및/또는 전자수송층 물질은 광활성층에서 분리된 전자와 정공을 전극으로 효율적으로 전달시키는 역할을 담당하며, 물질을 특별히 제한하지는 않는다. The hole transport layer and/or electron transport layer material plays a role of efficiently transferring electrons and holes separated from the photoactive layer to the electrode, and does not specifically limit the material.
상기 정공수송층 물질은 PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenediocythiophene) doped with poly(styrenesulfonic acid)); 몰리브데늄 산화물(MoOx); 바나듐 산화물(V2O5); 니켈 산화물(NiO); 또는 텅스텐 산화물(WOx) 등이 될 수 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다. The hole transport layer material is PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenediocythiophene) doped with poly(styrenesulfonic acid)); Molybdenum oxide (MoO x ); Vanadium oxide (V 2 O 5 ); Nickel oxide (NiO); Or it may be a tungsten oxide (WO x ) and the like, but is not limited thereto.
상기 전자수송층 물질은 전자추출금속 산화물(electron-extracting metal oxides)이 될 수 있으며, 구체적으로 8-히드록시퀴놀린의 금속착물; Alq3를 포함한 착물; Liq를 포함한 금속착물; LiF; Ca; 티타늄 산화물(TiOx); 아연 산화물(ZnO); 또는 세슘 카보네이트(Cs2CO3) 등이 될 수 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.The electron transport layer material may be electron-extracting metal oxides, specifically, a metal complex of 8-hydroxyquinoline; Complexes including Alq 3 ; Metal complexes including Liq; LiF; Ca; Titanium oxide (TiO x ); Zinc oxide (ZnO); Or it may be cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ) and the like, but is not limited thereto.
광활성층은 전자공여체 및/또는 전자수용체와 같은 광활성 물질을 유기용매에 용해시킨 후 용액을 스핀 코팅, 딥코팅, 스크린 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터 블레이드 및 브러쉬 페인팅 등의 방법으로 형성할 수 있으나, 이들 방법에만 한정되는 것은 아니다.The photoactive layer may be formed by dissolving a photoactive material such as an electron donor and/or an electron acceptor in an organic solvent, and then forming a solution by spin coating, dip coating, screen printing, spray coating, doctor blade and brush painting. It is not limited to the method.
이하, 본 명세서를 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세히 설명한다. 그러나, 본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지는 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, examples will be described in detail to specifically describe the present specification. However, the embodiments according to the present specification may be modified in various other forms, and the scope of the present specification is not interpreted to be limited to the embodiments described below. The embodiments of the present specification are provided to more fully describe the present specification to those skilled in the art.
<< 제조예Manufacturing example >>
제조예 1. 중합체 1의 합성 Preparation Example 1 Synthesis of
(1) 화학식 J의 합성(1) Synthesis of Formula J
(화학식 J) (Formula J)
두 개의 출발물질에 톨루엔을 넣고, 0.05 당량의 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0)(Pd(PPh3)4)를 첨가한 후, 80℃에서 15시간 교반시키자 반응용액이 점점 검정색으로 변화하였다. 이를 워크업(Work up)하고, 황산 마그네슘(magnesium sulfate)로 건조한 후 재결정화하여 화학식 J(흰색의 파우더, 4.3g)를 얻었다. After adding toluene to the two starting materials, adding 0.05 equivalents of tetrakis(triphenylphosphine)palladium(0)(Pd(PPh 3 ) 4 ), stirring at 80°C for 15 hours, the reaction solution gradually turned black. Changed. This was worked up, dried with magnesium sulfate, and recrystallized to obtain formula J (white powder, 4.3 g).
합성된 화학식 J의 NMR 스펙트럼을 도 4에 나타내었다. The synthesized NMR spectrum of Formula J is shown in FIG. 4.
(2) 화학식 J-1(제1 단위)의 합성 (2) Synthesis of Formula J-1 (first unit)
(화학식 J) (화학식 J-1) (Formula J) (Formula J-1)
제조된 화학식 J를 테트라하이드로퓨란(THF)에 녹이고 -78℃로 온도를 낮춘 후 n-부틸리튬(n-BuLi)을 2.1 당량 첨가하고 30분간 교반시켰다. 이 후 1시간 동안 실온에서 추가로 교반시키자 용액색이 노란색으로 변하였다. 다시 -78℃로 온도를 낮추고 2.1 당량의 트리메틸틴 클로라이드(trimethyltin chloride)를 첨가하고 천천히 실온으로 온도를 올리면서 12시간 동안 교반하였다. 12시간 후 황토색으로 용액의 색이 변하였고, 워크업(work up) 후 재결정화하자 하면 광택이 있는 판상의 노란색 고체 형태의 화학식 J-1을 얻을 수 있었다.After dissolving the prepared formula (J) in tetrahydrofuran (THF) and lowering the temperature to -78°C, 2.1 equivalents of n-butyllithium (n-BuLi) was added and stirred for 30 minutes. After this, the solution color was changed to yellow after further stirring at room temperature for 1 hour. Again, the temperature was lowered to -78°C, 2.1 equivalents of trimethyltin chloride was added, and the mixture was stirred for 12 hours while slowly raising the temperature to room temperature. After 12 hours, the color of the solution changed to an ocher color, and when re-crystallized after work up, it was possible to obtain the chemical formula J-1 in the form of a glossy yellow solid.
합성된 화학식 J-1의 NMR 스펙트럼을 도 5에 나타내었다.The synthesized NMR spectrum of Formula J-1 is shown in FIG. 5.
(3) 화학식 K(제2 단위)의 합성 (3) Synthesis of Formula K (second unit)
200ml의 테트라하이드로퓨란(THF)에 2,5-다이브로모티오펜(2,5-Dibromothiophene, 9.68 g, 40.0 mmol)을 넣고 녹인 뒤 -78℃까지 온도를 낮추었다. 이 온도에서 헥산(hexane)에 녹아있는 1.6M n-BuLi(1.6M n-Butyllithium in hexane, 55ml, 88mmol)을 천천히 넣고, 1시간 동안 교반하였다. 그 후 THF에 녹아있는 1M 트라이메틸틴클로라이드(1M Trimethyltinchloride in THF, 100ml, 100 mmol)를 한 번에 넣고 상온으로 온도를 높인 후 12시간 동안 교반하였다. 이 용액을 얼음에 부어 넣고, 다이에틸 에테르(Diethyl ether)로 3번 추출한 뒤, 물로 3번 씻어주고, 황산마그네슘(MgSO4 : Magnesium sulfate)로 잔여 물을 제거하였다. 남은 용액을 감압하에 용매를 제거하고 메탄올(Methanol)로 재결정화하여 하얀 고체를 얻었다. After adding 2,5-dibromothiophene (2,5-Dibromothiophene, 9.68 g, 40.0 mmol) to 200 ml of tetrahydrofuran (THF), the temperature was lowered to -78°C. At this temperature, 1.6M n-BuLi (1.6M n-Butyllithium in hexane, 55ml, 88mmol) dissolved in hexane was slowly added and stirred for 1 hour. After that, 1M trimethyltinchloride (1M Trimethyltinchloride in THF, 100ml, 100mmol) dissolved in THF was added at once and the temperature was raised to room temperature and stirred for 12 hours. The solution was poured into ice, extracted three times with diethyl ether, washed three times with water, and residual water was removed with magnesium sulfate (MgSO 4 : Magnesium sulfate). The remaining solution was removed under reduced pressure and recrystallized with methanol to obtain a white solid.
수율: 73.1 %Yield: 73.1%
도 6은 합성된 화학식 K의 NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.Figure 6 shows the NMR spectrum of the synthesized formula K.
(4) 화학식 L(제3 단위)의 합성 (4) Synthesis of Formula L (third unit)
상기 화학식 L의 화합물은 JOURNAL OF POLYMER SCIENCE PART A: POLYMER CHEMISTRY 2011, 49, 4387-4397, 4389를 기초로 합성하였다. The compound of Formula L was synthesized based on JOURNAL OF POLYMER SCIENCE PART A: POLYMER CHEMISTRY 2011, 49, 4387-4397, 4389.
(5) 중합체 1의 합성(5) Synthesis of
상기의 제1 단위 내지 제3 단위의 단량체를 클로로 벤젠을 용매로 하여, Pd2(dba)3 및 P(o-tolyl)3와 함께 넣고 마이크로웨이브 반응기로 중합하여 하기 중합체 1을 제조하였다. The monomers of the first to third units were chlorobenzene as a solvent, added together with Pd 2 (dba) 3 and P(o-tolyl) 3, and polymerized in a microwave reactor to prepare
[중합체 1] [Polymer 1]
상기 중합체 1의 물성은 하기 표 1과 같다.The properties of the
(수평균 분자량)(Number average molecular weight)
(필름 상의 UV(UV on film
maxmax
))
제조예 2. 중합체 2의 합성Preparation Example 2 Synthesis of
(1) 화학식 M의 합성(1) Synthesis of Formula M
두 개의 출발물질에 톨루엔을 넣고, 0.05 당량의 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0)(Pd(PPh3)4)를 첨가한 후, 80℃에서 15시간 교반시키자 반응용액이 점점 검정색으로 변화하였다. 이를 워크업(Work up)하고, 황산 마그네슘(magnesium sulfate)로 건조한 후 재결정화하여 화학식 M(흰색의 파우더, 4.3g)를 얻었다. After adding toluene to the two starting materials, adding 0.05 equivalents of tetrakis(triphenylphosphine)palladium(0)(Pd(PPh 3 ) 4 ), stirring at 80°C for 15 hours, the reaction solution gradually turned black. Changed. This was worked up, dried with magnesium sulfate, and recrystallized to obtain the formula M (white powder, 4.3 g).
(2) 화학식 M-1(제1 단위)의 합성 (2) Synthesis of Formula M-1 (first unit)
제조된 화학식 M을 테트라하이드로퓨란(THF)에 녹이고 -78℃로 온도를 낮춘 후 n-부틸리튬(n-BuLi)을 2.1 당량 첨가하고 30분간 교반시켰다. 이 후 1시간 동안 실온에서 추가로 교반시키자 용액색이 노란색으로 변하였다. 다시 -78℃로 온도를 낮추고 2.1 당량의 트리메틸틴 클로라이드(trimethyltin chloride)를 첨가하고 천천히 실온으로 온도를 올리면서 12시간 동안 교반하였다. 12시간 후 황토색으로 용액의 색이 변하였고, 워크업(work up) 후 재결정화하자 하면 광택이 있는 판상의 노란색 고체 형태의 화학식 M-1을 얻을 수 있었다.Dissolve the prepared formula M in tetrahydrofuran (THF), lower the temperature to -78°C, add 2.1 equivalent of n-butyllithium (n-BuLi) and stir for 30 minutes. After this, the solution color was changed to yellow after further stirring at room temperature for 1 hour. Again, the temperature was lowered to -78°C, 2.1 equivalents of trimethyltin chloride was added, and the mixture was stirred for 12 hours while slowly raising the temperature to room temperature. After 12 hours, the color of the solution changed to ocher color, and when re-crystallized after work up, it was possible to obtain the formula M-1 in the form of a glossy yellow solid.
(3) 화학식 K(제2 단위)의 합성(3) Synthesis of Formula K (second unit)
상기 제조예 1의 (3)과 동일한 과정으로 화학식 K를 합성하였다.Formula K was synthesized in the same manner as in (3) of Preparation Example 1.
(4) 화학식 L(제3 단위)의 합성(4) Synthesis of Formula L (third unit)
상기 제조예 1의 (4)와 동일한 과정으로 화학식 L을 합성하였다.Formula L was synthesized in the same process as in Preparation Example 1 (4).
(5) 중합체 2의 합성(5) Synthesis of
상기의 제1 단위 내지 제3 단위의 단량체를 클로로 벤젠을 용매로 하여, Pd2(dba)3 및 P(o-tolyl)3와 함께 넣고 마이크로웨이브 반응기로 중합하여 하기 중합체 2을 제조하였다. The monomers of the first to third units were chlorobenzene as a solvent, put together with Pd 2 (dba) 3 and P(o-tolyl) 3, and polymerized in a microwave reactor to prepare
[중합체 2][Polymer 2]
상기 중합체 2의 물성은 하기 표 2와 같다.The properties of the
제조예 3. 중합체 3의 합성 Preparation Example 3 Synthesis of Polymer 3
(1) 화학식 N의 합성(1) Synthesis of Formula N
두 개의 출발물질에 톨루엔을 넣고, 0.05 당량의 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0)(Pd(PPh3)4)를 첨가한 후, 80℃에서 15시간 교반시키자 반응용액이 점점 검정색으로 변화하였다. 이를 워크업(Work up)하고, 황산 마그네슘(magnesium sulfate)로 건조한 후 재결정화하여 화학식 N(흰색의 파우더, 4.3g)를 얻었다. After adding toluene to the two starting materials, adding 0.05 equivalents of tetrakis(triphenylphosphine)palladium(0)(Pd(PPh 3 ) 4 ), stirring at 80°C for 15 hours, the reaction solution gradually turned black. Changed. This was worked up, dried with magnesium sulfate, and recrystallized to obtain the formula N (white powder, 4.3 g).
(2) 화학식 N-1(제1 단위)의 합성 (2) Synthesis of Formula N-1 (First Unit)
제조된 화학식 N을 테트라하이드로퓨란(THF)에 녹이고 -78℃로 온도를 낮춘 후 n-부틸리튬(n-BuLi)을 2.1 당량 첨가하고 30분간 교반시켰다. 이 후 1시간 동안 실온에서 추가로 교반시키자 용액색이 노란색으로 변하였다. 다시 -78℃로 온도를 낮추고 2.1 당량의 트리메틸틴 클로라이드(trimethyltin chloride)를 첨가하고 천천히 실온으로 온도를 올리면서 12시간 동안 교반하였다. 12시간 후 황토색으로 용액의 색이 변하였고, 워크업(work up) 후 재결정화하자 하면 광택이 있는 판상의 노란색 고체 형태의 화학식 N-1을 얻을 수 있었다.Dissolve the prepared formula N in tetrahydrofuran (THF), lower the temperature to -78°C, add 2.1 equivalent of n-butyllithium (n-BuLi) and stir for 30 minutes. After this, the solution color was changed to yellow after further stirring at room temperature for 1 hour. Again, the temperature was lowered to -78°C, 2.1 equivalents of trimethyltin chloride was added, and the mixture was stirred for 12 hours while slowly raising the temperature to room temperature. After 12 hours, the color of the solution changed to ocher color, and when re-crystallized after work up, it was possible to obtain the formula N-1 in the form of a glossy yellow solid.
(3) 화학식 K(제2 단위)의 합성(3) Synthesis of Formula K (second unit)
상기 제조예 1의 (3)과 동일한 과정으로 화학식 K를 합성하였다.Formula K was synthesized in the same manner as in (3) of Preparation Example 1.
(4) 화학식 L(제3 단위)의 합성(4) Synthesis of Formula L (third unit)
상기 제조예 1의 (4)와 동일한 과정으로 화학식 L을 합성하였다.Formula L was synthesized in the same process as in Preparation Example 1 (4).
(5) 중합체 3의 합성(5) Synthesis of Polymer 3
상기의 제1 단위 내지 제3 단위의 단량체를 클로로 벤젠을 용매로 하여, Pd2(dba)3 및 P(o-tolyl)3와 함께 넣고 마이크로웨이브 반응기로 중합하여 하기 중합체 3을 제조하였다.The monomers of the first to third units were chlorobenzene as a solvent, put together with Pd2(dba)3 and P(o-tolyl)3, and polymerized in a microwave reactor to prepare Polymer 3 below.
[중합체 3][Polymer 3]
상기 중합체 3의 물성은 하기 표 2와 같다.The properties of the polymer 3 are shown in Table 2 below.
제조예 4. 중합체 4의 합성 Preparation Example 4 Synthesis of Polymer 4
(1) 화학식 O 의 합성(1) Synthesis of Formula O
두 개의 출발물질에 톨루엔을 넣고, 0.05 당량의 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0)(Pd(PPh3)4)를 첨가한 후, 80℃에서 15시간 교반시키자 반응용액이 점점 검정색으로 변화하였다. 이를 워크업(Work up)하고, 황산 마그네슘(magnesium sulfate)로 건조한 후 재결정화하여 화학식 O(흰색의 파우더, 4.3g)를 얻었다. After adding toluene to the two starting materials, adding 0.05 equivalents of tetrakis(triphenylphosphine)palladium(0)(Pd(PPh 3 ) 4 ), stirring at 80°C for 15 hours, the reaction solution gradually turned black. Changed. This was worked up, dried with magnesium sulfate, and recrystallized to obtain formula O (white powder, 4.3 g).
(2) 화학식 O-1(제1 단위)의 합성 (2) Synthesis of Formula O-1 (First Unit)
제조된 화학식 O를 테트라하이드로퓨란(THF)에 녹이고 -78℃로 온도를 낮춘 후 n-부틸리튬(n-BuLi)을 2.1 당량 첨가하고 30분간 교반시켰다. 이 후 1시간 동안 실온에서 추가로 교반시키자 용액색이 노란색으로 변하였다. 다시 -78℃로 온도를 낮추고 2.1 당량의 트리메틸틴 클로라이드(trimethyltin chloride)를 첨가하고 천천히 실온으로 온도를 올리면서 12시간 동안 교반하였다. 12시간 후 황토색으로 용액의 색이 변하였고, 워크업(work up) 후 재결정화하자 하면 광택이 있는 판상의 노란색 고체 형태의 화학식 O-1을 얻을 수 있었다.After dissolving the prepared formula (O) in tetrahydrofuran (THF) and lowering the temperature to -78°C, 2.1 equivalents of n-butyllithium (n-BuLi) was added and stirred for 30 minutes. After this, the solution color was changed to yellow after further stirring at room temperature for 1 hour. Again, the temperature was lowered to -78°C, 2.1 equivalents of trimethyltin chloride was added, and the mixture was stirred for 12 hours while slowly raising the temperature to room temperature. After 12 hours, the color of the solution changed to an ocher color, and when re-crystallized after work up, it was possible to obtain the formula O-1 in the form of a glossy yellow solid.
(3) 화학식 K(제2 단위)의 합성(3) Synthesis of Formula K (second unit)
상기 제조예 1의 (3)과 동일한 과정으로 화학식 K를 합성하였다.Formula K was synthesized in the same manner as in (3) of Preparation Example 1.
(4) 화학식 L(제3 단위)의 합성(4) Synthesis of Formula L (third unit)
상기 제조예 1의 (4)와 동일한 과정으로 화학식 L을 합성하였다.Formula L was synthesized in the same process as in Preparation Example 1 (4).
(5) 중합체 4의 합성(5) Synthesis of Polymer 4
상기의 제1 단위 내지 제3 단위의 단량체를 클로로 벤젠을 용매로 하여, Pd2(dba)3 및 P(o-tolyl)3와 함께 넣고 마이크로웨이브 반응기로 중합하여 하기 중합체 4를 제조하였다.The monomers of the first to third units were chlorobenzene as a solvent, put together with Pd2(dba)3 and P(o-tolyl)3, and polymerized in a microwave reactor to prepare Polymer 4 below.
[중합체 4][Polymer 4]
상기 중합체 4의 물성은 하기 표 2와 같다.The properties of the polymer 4 are shown in Table 2 below.
제조예 5. 중합체 5의 합성 Preparation Example 5 Synthesis of
(1) 화학식 J의 합성(1) Synthesis of Formula J
상기 제조예 1의 (1)과 동일한 과정으로 화학식 J를 합성하였다.Formula (J) was synthesized in the same manner as in (1) of Preparation Example 1.
(2) 화학식 J-1(제1 단위)의 합성(2) Synthesis of Formula J-1 (first unit)
상기 제조예 1의 (2)와 동일한 과정으로 화학식 J-1을 합성하였다.Formula (J-1) was synthesized in the same manner as in (2) of Preparation Example 1.
(3) 화학식 K(제2 단위)의 합성(3) Synthesis of Formula K (second unit)
상기 제조예 1의 (3)과 동일한 과정으로 화학식 K를 합성하였다.Formula K was synthesized in the same manner as in (3) of Preparation Example 1.
(4) 화학식 P(제3 단위)의 합성(4) Synthesis of Formula P (3rd Unit)
상기 화학식 P의 화합물은 Journal of Materials Chemistry A: Materials for Energy and Sustainability, 4(47), 18585-18597; 2016 기초로 합성하였다.The compound of formula P is Journal of Materials Chemistry A: Materials for Energy and Sustainability, 4(47), 18585-18597; Synthesized based on 2016.
(5) 중합체 5의 합성(5) Synthesis of
상기의 제1 단위 내지 제3 단위의 단량체를 클로로 벤젠을 용매로 하여, Pd2(dba)3 및 P(o-tolyl)3와 함께 넣고 마이크로웨이브 반응기로 중합하여 하기 중합체 5를 제조하였다.The monomers of the first to third units were chlorobenzene as a solvent, put together with Pd2(dba)3 and P(o-tolyl)3, and polymerized in a microwave reactor to prepare
[중합체 5][Polymer 5]
상기 중합체 5의 물성은 하기 표 2와 같다.The properties of the
(수평균 분자량)(Number average molecular weight)
(중량평균분자량)(Weight average molecular weight)
<실시예 : 유기 태양 전지의 제조><Example: Preparation of an organic solar cell>
실시예 1-1.Example 1-1.
상기 중합체 1과 하기 ITIC(Solarmer Materials 社)를 1:2의 비율로 클로로벤젠(Chlorobenzene, CB) 2ml에 녹여 복합 용액(composit solution)을 제조하였고, 이 때, 복합 용액의 농도는 2.0wt%로 조절하였으며, 유기 태양 전지는 ITO/PEDOT:PSS/광활성층/Al(애노드/정공수송층/광활성층/캐소드)의 구조로 하였다. ITO가 1.5 x 1.5 cm2의 바타입(bar type)으로 코팅된 유리 기판을 증류수, 아세톤 및 2-프로판올을 이용하여 초음파 세척하고, ITO 표면을 10분 동안 오존 처리한 후 45nm 두께로 PEDOT:PSS(AI4083)를 스핀 코팅하여 235℃에서 5분 동안 열처리하였다. 광활성층의 코팅을 위해서는 중합체 1 및 상기 ITIC 복합 용액을 1,500rpm으로 10초간 스핀코팅하여, 3x10-8 torr 진공 하에서 열 증발기(thermal evaporator)를 이용하여 100 nm 두께로 1 Å/s 속도로 Al을 증착하여 유기 태양 전지를 제조하였다.
[ITIC][ITIC]
실시예 1-2.Example 1-2.
상기 실시예 1-1에서 중합체 1 및 ITIC의 복합 용액을 2,000rpm으로 10초간 스핀 코팅한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 과정으로 유기 태양 전지를 제조하였다.An organic solar cell was manufactured in the same manner as in Example 1-1, except that the composite solution of
실시예 1-3.Example 1-3.
상기 실시예 1-1에서 중합체 1 및 ITIC의 복합 용액을 2,500rpm으로 10초간 스핀 코팅한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 과정으로 유기 태양 전지를 제조하였다.An organic solar cell was manufactured in the same manner as in Example 1-1, except that the composite solution of
실시예 2-1 내지 2-3.Examples 2-1 to 2-3.
상기 실시예 1-1 내지 1-3에서 각각 중합체 1 대신 상기 제조예 2에서 합성한 중합체 2를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1 내지 1-3과 동일한 과정으로 유기 태양 전지를 제조하였다.Organic solar cells were prepared in the same manner as in Examples 1-1 to 1-3, except that
실시예 3-1 내지 3-3.Examples 3-1 to 3-3.
상기 실시예 1-1 내지 1-3에서 각각 중합체 1 대신 상기 제조예 3에서 합성한 중합체 3을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1 내지 1-3과 동일한 과정으로 유기 태양 전지를 제조하였다.Organic solar cells were manufactured in the same manner as in Examples 1-1 to 1-3, except that Polymer 3 synthesized in Preparation Example 3 was used instead of
실시예 4-1 내지 4-3.Examples 4-1 to 4-3.
상기 실시예 1-1 내지 1-3에서 각각 중합체 1 대신 상기 제조예 4에서 합성한 중합체 4를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1 내지 1-3과 동일한 과정으로 유기 태양 전지를 제조하였다.Organic solar cells were prepared in the same manner as in Examples 1-1 to 1-3, except that Polymer 4 synthesized in Preparation Example 4 was used instead of
실시예 5-1 내지 5-3.Examples 5-1 to 5-3.
상기 실시예 1-1 내지 1-3에서 각각 중합체 1 대신 상기 제조예 5에서 합성한 중합체 5를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1 내지 1-3과 동일한 과정으로 유기 태양 전지를 제조하였다.Organic solar cells were manufactured in the same manner as in Examples 1-1 to 1-3, except that
비교예 1. Comparative Example 1.
상기 실시예 1-1에서 중합체 1 및 ITIC의 복합 용액 대신 하기 PTB7-Th와 상기 ITIC를 1:1.3의 비율로 오르쏘다이클로로벤젠(orthodichlorobenzene, ODCB) 25mg/ml에 녹여 제조한 복합 용액을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1-1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.In Example 1-1, instead of the composite solution of
[PTB7-Th][PTB7-Th]
비교예 2.Comparative Example 2.
상기 비교예 1에서 PTB7-Th 및 ITIC의 복합 용액을 1,200rpm으로 10초간 스핀 코팅한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 과정으로 유기 태양 전지를 제조하였다.An organic solar cell was manufactured in the same manner as in Comparative Example 1, except that the composite solution of PTB7-Th and ITIC in Comparative Example 1 was spin-coated at 1,200 rpm for 10 seconds.
비교예 3-1.Comparative Example 3-1.
상기 실시예 1-1에서 중합체 1 및 ITIC 대신 중합체 1 및 PCBM을 1:1의 비율로 녹여 복합 용액을 제조한 후 농도를 2.5wt%로 조절한 것, 상기 복합 용액의 스핀 코팅 속도를 1,000rpm으로 변경한 것 외에는 상기 실시예 1-1과 동일한 과정으로 유기 태양 전지를 제조하였다.In Example 1-1, instead of
[PCBM][PCBM]
비교예 3-2.Comparative Example 3-2.
상기 비교예 3-1에서 복합 용액의 스핀 코팅 속도를 1.500rpm으로 변경한 것 외에는 상기 비교예 3-1과 동일한 과정으로 유기 태양 전지를 제조하였다.An organic solar cell was manufactured in the same manner as in Comparative Example 3-1, except that the spin coating speed of the composite solution in Comparative Example 3-1 was changed to 1.500 rpm.
비교예 3-3.Comparative Example 3-3.
상기 비교예 3-1에서 복합 용액의 스핀 코팅 속도를 2.000rpm으로 변경한 것 외에는 상기 비교예 3-1과 동일한 과정으로 유기 태양 전지를 제조하였다.An organic solar cell was manufactured in the same manner as in Comparative Example 3-1, except that the spin coating speed of the composite solution was changed to 2.000 rpm in Comparative Example 3-1.
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 유기 태양 전지의 광전변환특성을 100mW/cm2 (AM 1.5) 조건에서 측정하고, 하기 표 3에 그 결과를 나타내었다.The photoelectric conversion characteristics of the organic solar cells prepared in Examples and Comparative Examples were measured under 100 mW/cm 2 (AM 1.5) conditions, and the results are shown in Table 3 below.
(rpm)Deposition rate
(rpm)
(V)V OC
(V)
(%)PCE
(%)
도 2는 실시예 1-1 내지 1-3의 유기 태양 전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이고, 도 3은 비교예 1 및 2의 유기 태양 전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다. 상기 표 3에서 Voc는 개방전압을, Jsc는 단락전류를, FF는 충전율(Fill factor)를, PCE는 에너지 변환 효율을 의미한다. 개방전압과 단락전류는 각각 전압-전류 밀도 곡선의 4사분면에서 X축 절편 및 Y축 절편이며, 이 두 값이 높을수록 태양 전지의 효율은 바람직하게 높아진다. 또한 충전율(Fill factor)은 곡선 내부에 그릴 수 있는 직사각형의 넓이를 단락전류와 개방전압의 곱으로 나눈 값이다. 이 세 가지 값을 조사된 빛의 세기로 나누면 에너지 변환 효율을 구할 수 있으며, 높은 값일수록 바람직하다.2 is a view showing the current density according to the voltage of the organic solar cells of Examples 1-1 to 1-3, and FIG. 3 is a view showing the current density according to the voltage of the organic solar cells of Comparative Examples 1 and 2. In Table 3, Voc is an open voltage, Jsc is a short-circuit current, FF is a fill factor, and PCE is an energy conversion efficiency. The open voltage and short-circuit current are the X-axis section and the Y-axis section in the quadrant of the voltage-current density curve, respectively, and the higher these two values, the higher the efficiency of the solar cell is. In addition, the fill factor is a value obtained by dividing the area of the rectangle that can be drawn inside the curve by the product of the short-circuit current and the open voltage. The energy conversion efficiency can be obtained by dividing these three values by the intensity of the irradiated light. The higher the value, the better.
상기 표 3에서, 본 발명의 일 실시상태에 따른 중합체를 전자 주개로, 비플러렌계 화합물을 전자 받개로 포함하는 유기 태양 전지는 비교예 1 및 2의 PTB7-Th를 전자 주개로 포함하는 유기 태양 전지 및 비교예 3-1 내지 3-3의 플러렌계 화합물을 전자 받개로 포함하는 유기 태양 전지 보다 개방 전압이 높고, 소자 효율이 우수하며, 에너지 변환 효율이 우수한 것을 알 수 있다. 구체적으로, 본원 실시예의 에너지 변환 효율은 6% 이상, 바람직하게는 7% 이상 나타나는 반면, 비교예의 에너지 변환 효율은 6% 미만으로 측정된 것을 확인할 수 있다.In Table 3, the organic solar cell comprising the polymer according to an exemplary embodiment of the present invention as an electron donor and a non-fullerene compound as an electron acceptor includes an organic sun including PTB7-Th of Comparative Examples 1 and 2 as an electron donor. It can be seen that the open voltage is higher, the device efficiency is excellent, and the energy conversion efficiency is higher than the organic solar cell including the battery and the fullerene compounds of Comparative Examples 3-1 to 3-3 as an electron acceptor. Specifically, it can be seen that the energy conversion efficiency of the present example is 6% or more, preferably 7% or more, whereas the energy conversion efficiency of the comparative example is measured to be less than 6%.
101: 애노드 (ITO)
102: 정공수송층(PEDOT:PSS)
103: 광활성층
104: 캐소드 (Al)101: anode (ITO)
102: hole transport layer (PEDOT: PSS)
103: photoactive layer
104: cathode (Al)
Claims (9)
상기 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극; 및
상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 구비되고, 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 포함하며,
상기 광활성층은 전자 주개 및 전자 받개를 포함하고,
상기 전자 주개와 상기 전자 받개의 질량비는 1:1.8 내지 1:2.2이며,
상기 전자 주개는 하기 화학식 1로 표시되는 제1 단위; 하기 화학식 2로 표시되는 제2 단위; 및 하기 화학식 3으로 표시되는 제3 단위를 포함하는 중합체를 포함하며,
상기 전자 받개는 비플러렌(non-fullerene)계 화합물을 포함하는 것인 유기 태양 전지:
[화학식 1]
[화학식 2]
[화학식 3]
상기 화학식 1 내지 3에서,
X1 내지 X4는 각각 S이고,
Y1 및 Y2는 각각 N이며,
Q1 내지 Q4, R1 내지 R4, R10 및 R11은 각각 수소이며,
R20 및 R21은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 20의 알콕시기이고,
a 및 b는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 1 내지 3의 정수이고,
d 및 e는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 0 내지 3의 정수이고,
A1 내지 A4는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로, 수소, 불소 또는 염소이고, 상기 A1 내지 A4 중 적어도 하나는 불소 또는 염소이다.A first electrode;
A second electrode provided to face the first electrode; And
It is provided between the first electrode and the second electrode, and includes at least one organic layer including a photoactive layer,
The photoactive layer includes an electron donor and an electron acceptor,
The mass ratio of the electron donor and the electron acceptor is 1:1.8 to 1:2.2,
The electron donor is a first unit represented by the following formula (1); A second unit represented by Formula 2 below; And it includes a polymer comprising a third unit represented by the formula (3),
The electron acceptor is an organic solar cell comprising a non-fullerene (non-fullerene)-based compound:
[Formula 1]
[Formula 2]
[Formula 3]
In Chemical Formulas 1 to 3,
X1 to X4 are each S,
Y1 and Y2 are each N,
Q1 to Q4, R1 to R4, R10 and R11 are each hydrogen,
R20 and R21 are the same as or different from each other, and each independently an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms,
a and b are the same as or different from each other, and each is an integer from 1 to 3,
d and e are the same as or different from each other, each being an integer from 0 to 3,
A1 to A4 are the same as or different from each other, and each independently, hydrogen, fluorine or chlorine, and at least one of A1 to A4 is fluorine or chlorine.
상기 비플러렌(non-fullerene)계 화합물은 하기 화학식 A로 표시되는 것인 유기 태양 전지:
[화학식 A]
상기 화학식 A에서,
Ra 내지 Rd는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 30의 알킬기이고,
Re 및 Rf는 각각 수소이며,
La 내지 Ld는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 탄소수 6 내지 25의 아릴렌기; 또는 2가의 티오펜기이며,
Ma 및 Mb는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 할로겐기; 또는 탄소수 1 내지 10의 알킬기이고,
p 및 q는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 0 내지 2의 정수이며,
p 또는 q가 각각 2인 경우, 괄호 내의 구조는 서로 동일하다. The method according to claim 1,
The non-fullerene-based compound is an organic solar cell represented by the following Chemical Formula A:
[Formula A]
In the above formula A,
Ra to Rd are the same as or different from each other, and each independently an alkyl group having 1 to 30 carbon atoms,
Re and Rf are each hydrogen,
La to Ld are the same as or different from each other, and each independently an arylene group having 6 to 25 carbon atoms; Or a divalent thiophene group,
Ma and Mb are the same as or different from each other, and each independently hydrogen; Halogen group; Or an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms,
p and q are the same as or different from each other, and each independently an integer of 0 to 2,
When p or q are each 2, the structures in parentheses are the same.
상기 화학식 A로 표시되는 화합물은 하기 화학식 A-1 내지 A-5 중 어느 하나인 것인 유기 태양 전지:
[화학식 A-1]
[화학식 A-2]
[화학식 A-3]
[화학식 A-4]
[화학식 A-5]
The method according to claim 2,
The compound represented by Chemical Formula A is any one of the following Chemical Formulas A-1 to A-5:
[Formula A-1]
[Formula A-2]
[Formula A-3]
[Formula A-4]
[Formula A-5]
상기 화학식 3으로 표시되는 제3 단위는 하기 화학식 3-1 또는 화학식 3-2 로 표시되는 것인 유기 태양 전지:
[화학식 3-1]
[화학식 3-2]
상기 화학식 3-1 및 화학식 3-2에서,
R20 및 R21은 화학식 3에서 정의한 바와 동일하다.The method according to claim 1,
The third unit represented by Chemical Formula 3 is an organic solar cell represented by Chemical Formula 3-1 or Chemical Formula 3-2:
[Formula 3-1]
[Formula 3-2]
In Chemical Formulas 3-1 and 3-2,
R20 and R21 are the same as defined in Chemical Formula 3.
상기 중합체는 하기 화학식 4로 표시되는 단위를 포함하는 것인 유기 태양 전지:
[화학식 4]
상기 화학식 4에서,
l은 몰분율로서, 0 < l < 1인 실수이며,
m은 몰분율로서, 0 < m < 1인 실수이고,
l+m = 1이며,
A는 상기 화학식 1로 표시되는 제1 단위이고,
B는 상기 화학식 2로 표시되는 제2 단위이며,
C 및 C'는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 상기 화학식 3으로 표시되는 제3 단위이고,
n은 단위의 반복수로서, 1 내지 10,000의 정수이다. The method according to claim 1,
The polymer is an organic solar cell comprising a unit represented by the following formula (4):
[Formula 4]
In Chemical Formula 4,
l is the molar fraction, and is a real number with 0 <l <1,
m is the molar fraction, 0 <m <1 is a real number,
l+m = 1,
A is the first unit represented by Formula 1,
B is a second unit represented by Chemical Formula 2,
C and C'are the same or different from each other, and each independently a third unit represented by Chemical Formula 3,
n is a repetition number of units, and is an integer of 1 to 10,000.
상기 중합체는 하기 화학식 5-1 내지 5-4 중 어느 하나로 표시되는 단위를 포함하는 것인 유기 태양 전지:
[화학식 5-1]
[화학식 5-2]
[화학식 5-3]
[화학식 5-4]
상기 화학식 5-1 내지 5-4에서,
R22 내지 R25는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 15의 알킬기이며,
R26 내지 R31은 각각 수소이고,
A1 내지 A4는 화학식 1에서 정의한 바와 동일하며,
l은 몰분율로서, 0 < l < 1인 실수이고,
m은 몰분율로서, 0 < m < 1인 실수이며,
l+m = 1이며,
n은 단위의 반복수로서, 1 내지 10,000의 정수이다.The method according to claim 1,
The polymer is an organic solar cell comprising a unit represented by any one of the following formulas 5-1 to 5-4:
[Formula 5-1]
[Formula 5-2]
[Formula 5-3]
[Formula 5-4]
In Chemical Formulas 5-1 to 5-4,
R22 to R25 are the same as or different from each other, and each independently an alkyl group having 1 to 15 carbon atoms,
R26 to R31 are each hydrogen,
A1 to A4 are the same as defined in Formula 1,
l is the molar fraction, 0 <l <1 is a real number,
m is the molar fraction, and is a real number with 0 <m <1,
l+m = 1,
n is a repetition number of units, and is an integer of 1 to 10,000.
상기 중합체는 하기 화학식 6-1 내지 6-5 중 어느 하나로 표시되는 단위를 포함하는 것인 유기 태양 전지:
[화학식 6-1]
[화학식 6-2]
[화학식 6-3]
[화학식 6-4]
[화학식 6-5]
The method according to claim 1,
The polymer is an organic solar cell comprising a unit represented by any one of the following formulas 6-1 to 6-5:
[Formula 6-1]
[Formula 6-2]
[Formula 6-3]
[Formula 6-4]
[Formula 6-5]
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